(57)【要約】【課題】  超音波パルスの透過音圧を高め、測定の精度を向上することが可能な流速測定方法および流速測定装置を提供する。【解決手段】  本発明にかかる流速測定方法の構成は、超音波を反射する反射体１０６を含む流体１０４が、管１０２の内部を移動する際の流速を測定する流速測定方法であって、管の外側から内部に向かって超音波パルス２６０を入力することにより、管を振動させ流体中に板波２６２を発生させ、板波が反射体によって反射されることにより発生した反射波２６４を受信し、超音波パルスの周波数と反射波の周波数との差分から前記流体の流速を計算することを特徴とする。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を反射する反射体を含む流体が、管の内部を移動する際の流速を測定する流速測定方法であって、
前記管の外側から内部に向かって超音波パルスを入力することにより、該管を振動させて前記管壁に板波を発生させることで前記流体中に前記超音波パルスを透過波として透過させ、
前記透過波が前記反射体によって反射されることにより発生した反射波を受信し、
前記超音波パルスの周波数と前記反射波の周波数との差分から前記流体の流速を計算することを特徴とする流速測定方法。
【請求項２】
前記超音波パルスの周波数をｆとし、前記管の厚みをｄとしたとき、ｆ×ｄは３０００ｋＨｚ・ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の流速測定方法。
【請求項３】
前記超音波パルスの周波数は、８０ｋＨｚ以上３ＭＨｚ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の流速測定方法。
【請求項４】
前記超音波パルスの入射角は、前記管壁に発生する横波の前記流体中への透過波が前記流体中に最大強度で透過する角度以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の流速測定方法。
【請求項５】
前記管の内径と、前記板波の前記流体中への透過波が前記管の内面によって反射した反射波の戻り時間とを用いて、前記板波の前記流体中への透過角を算出することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の流速測定方法。
【請求項６】
前記管の管径、前記管の厚み、もしくは前記管の材質のうち、少なくとも１つを含む管の仕様に対して、前記板波の前記流体中への透過角をあらかじめ求め、
前記管の仕様に関連付けて前記透過角を透過角テーブルにあらかじめ格納しておき、
測定する際には対象となる管の仕様を用いて前記透過角テーブルを参照し、前記板波の前記流体中への透過角を取得することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の流速測定方法。
【請求項７】
前記透過角は、前記管の管径、前記管の材質、前記管の厚み、前記超音波パルスの周波数、前記超音波パルスの入射角、前記超音波パルスの前記水中での音速の群から選択された、１または２以上の条件を用いて有限要素法により算出することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の流速測定方法。
【請求項８】
超音波を反射する反射体を含む流体が、管の内部を移動する際の流速を測定する流速測定装置であって、
前記管の外側から内部に向かって超音波パルスを入力して板波を発生させる超音波発信部と、
前記板波の前記流体中への透過波が前記反射体によって反射されることにより発生した反射波を受信する超音波受信部と、
前記超音波パルスの周波数と前記反射波の周波数との差分から前記流体の流速を計算する流速計算部と、を備えたことを特徴とする流速測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、管の内部を流動する流体の流速を超音波を利用して測定する流速測定方法および流速測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波が物質を透過して伝播する性質を利用して、流体導管の内部を流動する液体（流体）の流速を導管の外側から測ることができる超音波流速分布計は、発電所や工場等の大口径を有する配管の流量を測定するために広く利用されている。
【０００３】
超音波流量計には、伝搬時間差法、伝搬時間逆数差法、シング・アラウンド法、ドップラ法等さまざまな方法を用いたものがある。特にドップラ法を用いた超音波流速分布流量計（以下ドップラ式超音波流速分布流量計とする。）は、導管が不透明であっても、また流体自体が不透明であっても導管内の液体の速度分布や流量を測定することができるため、懸濁液や水銀、ナトリウム等の液体金属等の様々な不透明流体の流速測定に適応できるという利点を有している（例えば特許文献１）。
【０００４】
またドップラ式超音波流速分布流量計は、探触子（トランスデューサ：超音波入力部）から流体内に入力される超音波パルスの測定線上における流体速度分布の経時変化を得ることができるため、過渡流れや乱流における流体の流速分布や流量計測への応用が期待されている。
【特許文献１】特開２０００−９７７４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のドップラ式超音波流速分布流量計は、反射体からの反射波である超音波エコー信号を信号処理して解析し、流体の速度分布や流量を求めている。したがって、反射波の透過音圧（管壁を透過する強度）が低いと、反射波がノイズに埋もれてしまい検出が困難となり、測定の精度（解像度）が低下してしまう。このため、入力する超音波パルスの透過音圧を高めることで、反射波の透過音圧を高める必要がある。
【０００６】
入力する超音波パルスの透過音圧を高める手段の一つとして、超音波パルスの周波数を低周波数にするという手段がある。超音波は周波数が高いほど減衰しやすいため、超音波の周波数が高いと、管壁の通過時および流体の透過時に超音波パルスが著しく減衰し、超音波パルスの到達深度が浅くなってしまう。すなわち、周波数をより低くすることにより、超音波パルスの減衰を抑え、透過音圧を高めることができる。
【０００７】
一方、超音波を反射するために流体内に含まれる反射体（例えば気泡）の大きさは、数百μｍから数ｍｍ程度である。このため、超音波パルスの周波数をある程度以上低くすると反射体の大きさよりも波長の方が長くなってしまい超音波パルスと反射体との衝突回数が減少してしまう。その結果、反射波が発生しづらくなり、測定の精度が低下してしまう。反対に、超音波パルスの周波数を高周波数にすると、超音波パルスと反射体との衝突回数が増加するため、測定の精度（反射波の解像度）が向上する。
【０００８】
したがって、上記説明した如く、超音波パルスの周波数を高周波数または低周波数のどちらにしたとしても弊害が生じるため、かかる周波数のみを変化させることにより、超音波パルスの透過音圧を高め、測定の精度を向上するには限界があった。
【０００９】
ところで、かかる超音波パルスは縦波（疎密波）であり、管に入力された際に管壁面においてモード変換が生じる。モード変換の発生は超音波パルスの入射角に依存し、超音波パルスの入射角が極めて鋭角であれば、モード変換は発生せず超音波パルスは縦波のままである。そして、入射角が大きくなるにつれて、縦波の横波へのモード変換、板波へのモード変換が生じる。ここで板波とは、超音波パルスが管に入力された際に、かかる超音波パルスによって管（管壁）自体が振動して発生する波のことである。
【００１０】
ドップラ式の流量測定においては、流れ方向の流速成分を取得するために、流れの方向に対して傾斜した方向から超音波を入射する必要がある。そこで従来のドップラ式超音波流速測定では、管壁面においてモード変換により発生する横波の水中への透過強度がピークとなる入射角を設定し、モード変換により発生した横波を効率よく水中に透過波として入射し、流体中の反射体に反射させることにより、測定を行っている。このとき、横波のみならず板波による透過波も水中へ透過する条件では、超音波の伝播経路などの決定が難しくなるため、板波が水中に透過しない、又は透過した場合でも十分無視できるレベルとなる条件下で超音波を入射していた。
【００１１】
ここで板波が発生する条件とは、より管壁が薄いほど、また、より周波数が低いほど板波が発生しやすい。このため、上記のように解像度による制限より先に、板波を発生させない条件のために周波数の下限が設定され、ある程度以上周波数を下げることができなかった。すると透過音圧を上げることが難しく、Ｓ／Ｎ比の向上がままならないため、測定精度を向上させることが難しかった。
【００１２】
そこで本発明は、超音波パルスの透過音圧を高め、測定の精度を向上することが可能な流速測定方法および流速測定装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
発明者らが透過音圧について鋭意検討した結果、ノイズの要因と考えられていた板波は縦波や横波と異なる入射角において透過音圧のピークを有し、そのピークは縦波や横波のそれよりも高いことに着目した。そして、この板波を用いれば高い透過音圧を得られることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１４】
すなわち、上記課題を解決するために、本発明にかかる流速測定方法の代表的な構成は、超音波を反射する反射体を含む流体が、管の内部を移動する際の流速を測定する流速測定方法であって、管の外側から内部に向かって超音波パルスを入力することにより、管を振動させて管壁に板波を発生させることで流体中に超音波パルスを透過波として透過させ、透過波が反射体によって反射されることにより発生した反射波を受信し、超音波パルスの周波数と反射波の周波数との差分から流体の流速を計算することを特徴とする。
【００１５】
上記構成では、管の振動により発生する板波を用い、かかる板波が水中へ透過した透過波を反射体に反射させた反射波によって流体の流速を計算（測定）する。これによれば、板波は従来用いていた横波よりも透過音圧が高いため、反射波のＳ／Ｎ比を向上させることができる。したがって、反射波がノイズに埋もれることなく容易に検出されるため、測定の精度（解像度）を向上することが可能となる。
【００１６】
上記の超音波パルスの周波数をｆとし、管の厚みをｄとしたとき、ｆ×ｄは３０００ｋＨｚ・ｍｍ以下であるとよい。これにより、管の外側から内部に向かって超音波パルスを入力した際に、管自体を振動させ、管壁面において縦波をモード変換させ板波を発生させることが可能となる。
【００１７】
上記の超音波パルスの周波数は、８０ｋＨｚ以上３ＭＨｚ以下であるとよい。
【００１８】
上記の構成により、超音波パルスの周波数を、低周波数にした際の超音波パルスと反射体との衝突回数の減少や、高周波数にした際の超音波パルスの著しい減衰等の弊害を防ぐことができる。また、超音波パルスの周波数を上記範囲内とすることにより超音波パルスの減衰が低減されるため、管の外側から入力された超音波パルス（板波）が管の内面、すなわち流体を通過した延長上に存在する管の壁面によって反射し、反射波が発生する。これにより、後述する板波の透過角を求めることが可能となる。
【００１９】
上記の超音波パルスの入射角は、管壁に発生する横波の流体中への透過波が流体中に最大強度で透過する角度以上であるとよい。かかる構成により、従来のドップラ式超音波流速測定に用いていた横波よりも透過音圧が高い板波を発生させることが可能となる。また、かかる入射角とすることにより、板波を用いた流速測定においてノイズとなりうる横波の透過音圧の影響を排除することができる。
【００２０】
上記の管の内径と、板波の流体中への透過波が管の内面によって反射した反射波の戻り時間とを用いて、板波の流体中への透過角を算出するとよい。
【００２１】
一般的に、波が、媒質が異なりかつ隣接する２つの媒質中を進行する際には、スネルの法則（屈折の法則）が成り立つ。ここで、上記の２つの媒質のうち、一方の媒質を媒質Ａ、他方の媒質を媒質Ｂとし、媒質Ａにおける波の速度をＶＡ、媒質Ｂにおける波の速度をＶＢ、媒質Ａから媒質Ｂへの入射角をθＡ、媒質Ａから媒質Ｂへの屈折角（媒質Ｂ中での波の透過角）をθＢとする。このとき、スネルの法則では、「ｓｉｎθＡ／ｓｉｎθＢ＝ＶＡ／ＶＢ」の式が成り立つ。
【００２２】
横波を用いた従来のドップラ式超音波流速測定では、媒質Ａを管壁の材質の一例である炭素鋼、媒質Ｂを流体の一例である水とし、スネルの法則を適用して横波の炭素鋼から水への屈折角θＢを求めることが可能であった。しかし、板波は、管内部に入力された超音波パルスにより管が振動して発生する波であるため、縦波および横波とは性質が異なる。したがって、スネルの法則を適用できず、板波が発生する条件における炭素鋼から水への屈折角θＢを求めることが困難であった。
【００２３】
しかし、ドップラ効果による周波数のずれから求められる速度は、反射体の移動速度のうち、超音波の進行方向成分である。このため板波の炭素鋼から水への屈折角θＢ、すなわち媒質Ｂ中での板波の透過角が求まらないと、実際の流速を算出することができない。
【００２４】
そこで、上記構成では、管の内径と、板波が管の内面によって反射した反射波の戻り時間とを用いて、板波による透過波の流体中での透過角を算出する。より詳細な計算例としては、上記の戻り時間を半分にし、管壁を通過するための所要時間を引くことにより、管内を超音波が移動するためにかかった時間を算出する。そして水中の音速から超音波の経路長を算出し、あらかじめわかっている管の内径（直径）との三角形を考慮して、透過角を求めることができる。これにより、受信した反射波がノイズか否かをかかる透過角に基づいて判別することが可能となり、測定の精度を向上することができる。
【００２５】
また実測ではなく、上記の管の管径、管の厚み、もしくは管の材質のうち、少なくとも１つを含む管の仕様に対して、板波の流体中への透過角をあらかじめ求め、管の仕様に関連付けて透過角を透過角テーブルにあらかじめ格納しておき、測定する際には対象となる管の仕様を用いて透過角テーブルを参照し、板波の流体中への透過角を取得してもよい。
【００２６】
かかる構成では、測定対象となる管の仕様に応じた透過角があらかじめ透過角テーブルに格納される。これにより、測定の度に現場で透過角を測定および算出する手間を省き、透過角テーブルを参照するだけで容易に板波の流体中での透過角を取得することが可能となる。
【００２７】
上記の透過角は、管の管径、管の材質、管の厚み、超音波パルスの周波数、超音波パルスの入射角、超音波パルスの水中での音速の群から選択された、１または２以上の条件を用いて有限要素法により算出するとよい。
【００２８】
これにより、透過角の算出において、管の仕様に対する条件だけでなく、超音波パルスに対する条件も反映されるため、板波の流体中での透過角の算出の精度を向上することが可能となる。なお算出方法としては有限要素法のみならず境界要素法を用いてもよく、さらにはこれらを部分的に組み合わせて演算を行ってもよい。
【００２９】
なお、透過角テーブルにデータを蓄積する場合において、コンピュータ演算を行う場合に限らず、実測により透過角を取得して蓄積してもよい。有限要素法は条件の入力に手間がかかり、また演算時間も数日に及ぶという問題があるが、想定されるあらゆる管に対して所有していなくとも透過角を求めることができるという利点を有している。
【００３０】
一方、実測は、対象となる管を所有している必要があるが、簡略に透過角を取得することができるという利点を有している。なお実測にあたっては、超音波を入力するトランスデューサとしての探触子とは別にセンサとしての探触子を準備し、センサとしての探触子を管の反対側に配置して、かつその位置をずらしながら板波の到達位置（最も音圧の高い位置）を探すことにより、透過角を測定することができる。
【００３１】
また本発明にかかる流速測定装置の代表的な構成は、超音波を反射する反射体を含む流体が、管の内部を移動する際の流速を測定する流速測定装置であって、
管の外側から内部に向かって超音波パルスを入力して板波を発生させる超音波発信部と、板波の流体中への透過波が反射体によって反射されることにより発生した反射波を受信する超音波受信部と、超音波パルスの周波数と反射波の周波数との差分から流体の流速を計算する流速計算部と、を備えたことを特徴とする。
【００３２】
上述した流速測定方法の技術的思想に基づく構成要素やその説明は、当該流速測定装置にも適用可能である。
【発明の効果】
【００３３】
以上説明したように本発明の流速測定方法および流速測定装置によれば、超音波の周波数を変化させることなく、超音波パルスの透過音圧を高め、測定の精度を向上することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００３５】
図１は、本実施形態にかかる流速測定方法および流速測定装置を用いた流速測定システムを説明する図である。流速測定システム１００は、管としての配管１０２と、配管１０２の内部に流れる流体としての液体１０４と、液体１０４の内部に含まれる超音波の反射体としての気泡１０６と、流速測定装置２００と、を含んで構成される。なお、図１において液体１０４は、白抜き矢印で示すように左から右へ流れているものとする。
【００３６】
流速測定装置２００の探触子２５０は、配管１０２の外側から配管１０２の軸線方向に対し所定の角度（図１中θで示す。）で設置される。配管１０２および液体１０４は、例えば発電所や工場の冷却水用である。気泡１０６は、流速測定システム１００より上流側において配管内に不図示の気泡発生装置を配置したり、配管１０２の外側から高出力の超音波を入力してキャビテーション現象を利用して発生させることができる。
【００３７】
図２は、超音波パルス２６０の板波へのモード変換を説明する図である。図１に示すように、探触子２５０から角度θで超音波パルス２６０を配管１０２の外側から内部に向かって入力すると、かかる超音波パルス２６０によって、図２（ａ）に示すように配管１０２の探触子２５０が配置されている部位付近が振動する。これにより図２（ｂ）に示すように管壁が振動し、管壁内におけるモード変換によって透過角度θ’の板波による透過波２６２が発生する。
【００３８】
そして、図２（ｃ）に示すように、気泡１０６によって反射されることにより発生した反射波２６４を、流速測定装置２００（探触子２５０）によって受信する。気泡１０６の流速は、液体１０４の流速を代表するものとすることができるため、気泡１０６の流速を算出できれば液体１０４の流速を算出できるものとなる。また流速と配管１０２の断面積から流量を求めることも可能となる。なお、以下の説明において、上述した角度θを入射角、角度θ’を透過角と称する。
【００３９】
（第１実施形態）
図３は、第１実施形態にかかる流速測定装置２００の概略的な機能を示した機能ブロック図である。図３に示すように、流速測定装置２００は、コンピュータ２１０と、探触子２５０からなり、本実施形態ではコンピュータ２１０と探触子２５０はケーブル２０２を介して有線で接続されている。
【００４０】
コンピュータ２１０は、制御部２１２と、記憶部２２４と、表示部２２６と、操作入力部２２８とを含んで構成され、探触子２５０は、超音波発信部２５２と、超音波受信部２５４とを含んで構成される。
【００４１】
制御部２１２は、中央処理装置（ＣＰＵ）を含む半導体集積回路により流速測定装置２００を管理および制御する。また、制御部２１２は、パルサー２１４、レシーバ２１６、Ａ／Ｄ変換部２１８、透過角取得部２２０、流速計算部２２２としても機能する。
【００４２】
パルサー２１４は、ケーブル２０２を介して超音波発信部２５２に超音波入力信号（電圧）を送信する。超音波入力信号には超音波発信部２５２が入力する超音波パルス２６０の周波数情報および間隔情報を含んでいる。
【００４３】
レシーバ２１６は、超音波受信部２５４によってアナログ信号に変換された反射波２６４の信号を増幅する。
【００４４】
Ａ／Ｄ変換部２１８は、レシーバ２１６によって増幅されたアナログ信号としての反射波２６４をデジタル信号に変換する。
【００４５】
透過角取得部２２０は、配管１０２の内径と、板波２６２が配管１０２の内面によって反射した反射波の戻り時間とを用いて、板波による透過波２６２の液体中での透過角を算出（取得）する。これにより、スネルの法則を適用して算出することができない板波による透過波２６２の透過角を取得でき、超音波受信部２５４が受信した反射波の正確な流速値を求めることが可能となる。
【００４６】
図４は、透過角取得部２２０による板波２６２の透過角の算出を説明する図である。図４（ａ）に示すように、配管１０２におけるモード変換により発生した板波２６２のうち、気泡１０６に衝突しなかった板波２６２は、配管１０２の内面、すなわち探触子２５０が設置されていない側の配管壁の内面に衝突する。これにより、図４（ｂ）に示すように、図４（ａ）の角度θ’で入射した方向とは反対方向に反射する反射波２６６ａと、入射した板波と同じ経路を戻る反射波２６６ｂが生じる。
【００４７】
そして、図４（ｃ）に示すように、かかる反射波２６６ｂを探触子２５０（後述する超音波受信部２５４）で受信する。透過角取得部２２０は、図４（ｄ）に示す反射波２６６ｂのピークから板波２６２の配管１０２からの戻り時間を算出する。その後、透過角取得部２２０は、反射波２６６ｂの戻り時間と、ユーザが操作入力部２２８から入力した配管１０２の内径とから板波２６２の液体１０４（流体）中での透過角を取得（計算）する。
【００４８】
より詳細な計算例としては、上記の戻り時間を半分にし、管壁を通過するための所要時間を引くことにより、管内を超音波が移動するためにかかった時間を算出する。そして水中の音速から超音波の経路長を算出し、あらかじめわかっている管の内径（直径）との三角形を考慮して、透過角を求めることができる。
【００４９】
流速計算部２２２は、透過角取得部２２０が取得した板波２６２の透過角を踏まえて、超音波パルス２６０（板波２６２）の周波数と反射波２６４の周波数との差分から流体に含まれる気泡１０６の流速を計算する。ドップラ効果による周波数のずれから反射体の移動速度のうちの超音波の進行方向成分がわかるため、透過角と流れの方向からなる直角三角形の関係から、流速を算出することができる。これにより、気泡１０６の流速を算出することで液体１０４の流速（流速分布）を算出し、また流速と配管１０２の断面積から流量を求めることができる。
【００５０】
記憶部２２４は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＥＥＰＲＯＭ、不揮発性ＲＡＭ、フラッシュメモリ、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）等で構成され、制御部２１２で処理されるプログラムを記憶する。
【００５１】
表示部２２６は、液晶ディスプレイ、ＥＬ（Electro Luminescence）、ＰＤＰ(Plasma Display Panel)等で構成され、記憶部２２４に記憶されたアプリケーションのＧＵＩ（Graphical User Interface）を表示することができる。
【００５２】
操作入力部２２８は、キーボード、十字キー、ジョイスティック等の複数のキー（スイッチ）およびマウスから構成され、ユーザの操作入力を受け付ける。また操作入力部２２８は、ユーザによる、透過角取得部２２０において板波２６２の透過角の算出に用いられる配管１０２の内径の入力も受け付ける。
【００５３】
超音波発信部２５２は、圧電素子で構成され、配管１０２の外側から内部に向かって超音波パルス２６０を入力する。これにより、配管１０２自体が振動し、板波２６２が発生する。なお、超音波発信部２５２によって入力される超音波パルス２６０の周波数は、圧電素子の厚みに依存する。
【００５４】
板波の発生条件は、超音波パルス２６０の周波数と、配管１０２の厚みと、超音波パルス２６０の入射角とから定義される。板波２６２を用いることにより、探触子２５０から入力された縦波の超音波パルス２６０をモード変換し、配管１０２自体において透過音圧の高い板波２６２を発生させることが可能となる。
【００５５】
上記の超音波発信部２５２が入力する超音波パルス２６０の周波数をｆとし、配管１０２の厚みをｄとしたとき、ｆ×ｄは３０００ｋＨｚ・ｍｍ以下であることが好ましい。これにより、容易に板波２６２を発生させることができる。
【００５６】
超音波パルス２６０の周波数ｆは、８０ｋＨｚ以上３ＭＨｚ以下であるとよい。一般的にドップラ方式の流量測定においては、ナイキストのサンプリング定理により使用する周波数と測定範囲、並びに反射体の速度に関連した制限があり、大口径管や流速の速い流れ場における流量を測定することが難しい。しかし本実施形態の構成によれば、低周波の超音波を用いることによって発生する板波を積極的に利用しているため、結果的に測定範囲を大幅に増大させることができる。
【００５７】
また、超音波発信部２５２が入力する超音波パルス２６０の入射角（角度θ）は、管壁内に発生する横波が流体中に最大強度で透過する角度以上に設定するとよい。
【００５８】
図５は、超音波パルス２６０の入射角と水中への透過音圧の関係を示す一例である。横軸は超音波パルスの入射角を示し、縦軸はグラフ中の最大値で無次元化した透過音圧を示している（すなわち、最大値に対する比率で表している）。なお、用いた周波数は２ＭＨｚである。図５に示すように、入射角０度から５度で超音波パルス２６０を配管１０２に入力すると、いずれの配管１０２の厚みにおいても透過音圧は入射角０度をピークとしその後低下する。この入力した時点のピークは主に管壁内の縦波によるピークである。
【００５９】
そして、入射角１７度から１９度付近において、すべての系列（配管１０２の厚み）で再度ピークが生じる。かかるピークの主成分が横波に起因するピークであり、その透過音圧はおよそ０．４から０．５程度である。従来のドップラ式超音波流速測定では、この横波による透過波が気泡によって反射した反射波を受信し、流速の測定を行っていた。
【００６０】
しかし、配管１０２の厚みが１．５ｍｍの場合、入射角を更に広げると板波２６２が発生し、図５からわかるように、かかる板波２６２の透過音圧は入射角３０度付近においてピークに達し、そのときの透過音圧は１程度、すなわち横波の透過音圧の２倍近くの値となる。このことから、適切な入射角で超音波パルス２６０を入力することで、従来用いていた横波よりも透過音圧の高い板波による透過波２６２を発生させることが可能であることがわかり、かかる入射角（角度θ）は横波が流体中に最大強度で透過する入射角以上（図５の例では２０°以上）であることが理解できる。これにより、流速測定に横波よりも透過音圧の高い板波による透過波２６２を用いることができる。その結果、反射波２６４の透過音圧を高め、反射波２６４のノイズへの埋もれを低減し、測定の精度（解像度）を向上することが可能となる。
【００６１】
なお、横波が流体中に最大強度で透過する入射角以上とは、すなわち板波による透過波が横波による透過波よりも強くなる範囲である。ところで図５からわかるように、板波による透過波の強さは、入射角が大きくなるにつれてピークを迎え、さらに入射角が大きくなると減衰する。これは、ある程度以上入射角が大きくなると管壁の表面で超音波パルスが反射してしまい、管壁に振動のエネルギーが与えられないためと考えられる。このことから、板波によって横波よりも強い透過波を得るためには、入射角には最適な角度の範囲（下限と上限）が存在することがわかる。最適な範囲は、図５の例では約２０°〜３５°である。
【００６２】
ただし探触子２５０と配管１０２の間に楔を配置した場合に、楔の材質によって楔と配管１０２との間の屈折角は異なる。また水の音速や管壁の材質（音速）によっても、透過波の屈折角は異なる。すなわち最適な入射角の範囲は系によって異なるため、絶対値によって汎用的な範囲を定めることはできない。しかし、少なくとも入射角を横波が流体中に最大強度で透過する入射角以上とすることにより、板波を有効に利用することができる。
【００６３】
また、図５を参照すると、配管１０２の厚みが５．０ｍｍおよび１０．０ｍｍの場合においては、入射角を広げても板波による透過波２６２が発生していないことがわかる。これは、配管１０２の厚みが厚すぎると、入力した超音波パルス２６０によって配管壁を振動させることができないためと考えられる。
【００６４】
超音波受信部２５４は、超音波パルス２６０が配管１０２自体においてモード変換されることにより発生した板波２６２が、反射体（気泡１０６）によって反射されることにより発生した反射波２６４を受信する。
【００６５】
続いて、上述した流速測定装置２００を用いた流速測定方法について説明する。図６は、第１実施形態にかかる流速測定方法の流れを示したフローチャートである。
【００６６】
まず、配管１０２の外側に流速測定装置２００の探触子２５０を設置する（Ｓ３００：探触子設置ステップ）。そして、操作入力部２２８はユーザによる配管１０２の内径の入力を受け付ける（Ｓ３０２：入力受付ステップ）。
【００６７】
次に、探触子２５０を構成する超音波発信部２５２から配管１０２の内部に向かって超音波パルス２６０を入力（発信）し（Ｓ３０４：超音波発信ステップ）、超音波受信部２５４が、配管１０２の内面によって反射された反射波２６６ｂを受信する（Ｓ３０６：内面反射波受信ステップ）。
【００６８】
透過角取得部２２０は、図４（ｄ）に示すような超音波受信部２５４が受信した反射波２６６ｂのピークから、反射波２６６ｂの配管１０２の内面からの戻り時間を算出（取得）する。（Ｓ３０８：反射時間取得ステップ）。そして、透過角取得部２２０は、反射波２６６ｂの戻り時間と、ユーザが操作入力部２２８から入力した配管１０２の内径とから板波２６２の液体１０４（流体）中での透過角を計算（取得）する（Ｓ３１０：透過角計算ステップ）。
【００６９】
その後、超音波発信部２５２から配管１０２の内部に向かって再度超音波パルス２６０を入力（発信）し（Ｓ３１２：超音波発信ステップ）、超音波受信部２５４が気泡１０６（反射体）によって反射された反射波２６４を受信する（Ｓ３１４：反射波受信ステップ）。
【００７０】
そして、流速計算部２２２は、透過角取得部２２０が取得した透過角を踏まえ、超音波パルス２６０（板波２６２）の周波数と反射波２６４の周波数との差分から流体に含まれる気泡１０６の流速を計算する（Ｓ３１６：流速計算ステップ）。
【００７１】
次に、流速測定を終了するか否かを判定する（Ｓ３１８：終了判定ステップ）。再度流速測定を行う場合（Ｓ３１８のＮＯ）、超音波発信ステップ（Ｓ３１２）からを繰り返す。このように繰り返し測定を可能とすることにより、測定結果の不確かさを低減し、測定の精度を向上することができる。なお、かかる判定では、予め測定時間（例えば、３分間等）を設定しておきその測定時間が経過したか否かを判定してもよいし、測定回数（例えば、１００回等）を設定しておきその回数分の測定が終了したか否かを判定してもよい。また、終了判定を常に否にする、もしくは予め測定時間や測定回数を設定しないことで流速の常時モニタリングも可能である。
【００７２】
以上説明したように、上記構成では、配管１０２自体の振動によりモード変換され発生する板波２６２を用い、かかる板波２６２の反射体（気泡１０６）による反射波２６４によって流体の流速を計算（測定）する。これにより、反射波２６４の透過音圧を従来よりも高めることができるため、反射波２６４の検出が容易になり、測定の精度（解像度）を向上することが可能となる。
【００７３】
（第２実施形態）
本発明にかかる流速測定方法および流速測定装置の第２実施形態について説明する。図７は、第２実施形態にかかる流速測定装置２３０の概略的な機能を示した機能ブロック図である。図７（ａ）に示すように、流速測定装置２３０は、コンピュータ２４０と、探触子２５０からなり、本実施形態ではコンピュータ２４０と探触子２５０はケーブル２０２を介して有線で接続されている。なお、以下の説明において、第１実施形態と同様の機能または構成を有する要素については、同一の符号を付すことにより、重複説明を省略する。
【００７４】
コンピュータ２４０は、制御部２１２と、記憶部２４４と、表示部２２６と、操作入力部２２８とを含んで構成され、探触子２５０は、超音波発信部２５２と、超音波受信部２５４とを含んで構成される。
【００７５】
制御部２１２は、中央処理装置（ＣＰＵ）を含む半導体集積回路により流速測定装置２３０を管理および制御する。また、制御部２１２は、パルサー２１４、レシーバ２１６、Ａ／Ｄ変換部２１８、透過角取得部２４２、流速計算部２２２としても機能する。
【００７６】
透過角取得部２４２は、測定の対象となる配管１０２の仕様に基づいて、後述する透過角テーブル２４６を参照し、板波２６２の流体中での透過角を取得する。これにより、スネルの法則が適用して算出することができない板波２６２の透過角を取得し、流速を算出することが可能となる。
【００７７】
記憶部２４４は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＥＥＰＲＯＭ、不揮発性ＲＡＭ、フラッシュメモリ、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）等で構成され、制御部２１２で処理されるプログラムを記憶する。また、記憶部２４４は、透過角テーブル２４６としても機能する。
【００７８】
透過角テーブル２４６は、配管１０２の管径、配管１０２の厚み、もしくは配管１０２の材質のうち、少なくとも１つを含む配管１０２の仕様に対して予め求められた板波２６２の流体中での透過角を、配管１０２の仕様に関連付けて格納する。これにより、透過角取得部２４２は透過角テーブル２４６を参照するだけで容易に板波２６２の流体中での透過角を取得することが可能となる。
【００７９】
図７（ｂ）は、透過角テーブル２４６の例を示している。図７（ｂ）に示す透過角テーブル２４６は、板波２６２の流体中での透過角を配管１０２の仕様である配管１０２の型番に関連付けて格納している。型番が特定されれば、その配管１０２の材質、管径、肉厚など、一連の条件を定めることができる。現場に用いられている配管はある程度規格化されていることから、型番に応じて透過角を求める対象となる配管が限定的となり（数が少なくて済み）、透過角テーブル２４６を作成する労力を軽減することができる。
【００８０】
また透過角テーブル２４６は、上記の配管１０２の仕様の要素、例えば材質、管径、肉厚などを個別のパラメータとし、これらの複数のパラメータの組み合わせに関連づけて透過角を格納してもよい。さらには、入力する超音波の周波数によっても屈折角は変わることから、配管の仕様に限らず、超音波の周波数をも透過角テーブル２４６におけるパラメータとして用いてもよい。
【００８１】
透過角テーブル２４６に予め格納される板波２６２の流体中での透過角は、あらかじめ実験（実測）によって求めることができる。また、配管１０２の管径、配管１０２の材質、配管１０２の厚み、超音波パルス２６０の周波数、超音波パルス２６０の入射角、超音波パルス２６０の水中での音速の群から選択された、１または２以上の条件（要素）を用いて有限要素法や境界要素法、さらにはこれらを部分的に組み合わせて算出することができる。これにより、予め透過角テーブル２４６に格納される透過角の精度を高めることができる。
【００８２】
続いて、上述した流速測定装置２３０を用いた流速測定方法について説明する。図８は、第２実施形態にかかる流速測定方法の流れを示したフローチャートである。
【００８３】
まず、配管１０２の外側に流速測定装置２００の探触子２５０を設置する（Ｓ３００：探触子設置ステップ）。そして、操作入力部２２８はユーザによる配管１０２の仕様の入力を受け付ける（Ｓ４００：入力受付ステップ）。
【００８４】
次に透過角取得部２４２は、入力された配管１０２の仕様に基づいて透過角テーブル２４６を参照し、板波２６２の流体中での透過角を取得する（Ｓ４０２：透過角取得ステップ）。その後、図６に示す超音波発信ステップ（Ｓ３１２）から流速計算ステップ（Ｓ３１６）を実行する。
【００８５】
以上説明したように、上記構成では、透過角テーブル２４６を備えることにより、板波２６２の流体中での透過角を測定の都度算出する必要がなくなる。したがって、測定時間の短縮を図ることが可能となる。また透過角テーブル２４６に格納される板波２６２の透過角は、複数の要素に基づいて求められているため、誤差が低減されている。したがって、測定の精度を向上することが可能となる。
【００８６】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施例について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００８７】
なお、本明細書の流速測定方法における各ステップは、必ずしもフローチャートとして記載された順序に沿って時系列に処理する必要はなく、並列的あるいは個別に実行される処理も含むとしても良い。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
本発明は、管の内部を流動する流体の流速を超音波を利用して測定する流速測定方法および流速測定装置に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本実施形態にかかる流速測定方法および流速測定装置を用いた流速測定システムを説明する図である。
【図２】超音波パルスの板波へのモード変換を説明する図である。
【図３】第１実施形態にかかる流速測定装置の概略的な機能を示した機能ブロック図である。
【図４】透過角取得部による板波の透過角の算出を説明する図である。
【図５】超音波パルスの入射角と透過音圧の関係を示す図である。
【図６】第１実施形態にかかる流速測定方法の流れを示したフローチャートである。
【図７】第２実施形態にかかる流速測定装置の概略的な機能を示した機能ブロック図である。
【図８】第２実施形態にかかる流速測定方法の流れを示したフローチャートである。
【符号の説明】
【００９０】
１００  …流速測定システム
１０２  …配管
１０４  …液体
１０６  …気泡
２００・２３０  …流速測定装置
２０２  …ケーブル
２１０・２４０  …コンピュータ
２１２  …制御部
２１４  …パルサー
２１６  …レシーバ
２１８  …Ａ／Ｄ変換部
２２０・２４２  …透過角取得部
２２２  …流速計算部
２２４・２４４  …記憶部
２２６  …表示部
２２８  …操作入力部
２４６  …透過角テーブル
２５０  …探触子
２５２  …超音波発信部
２５４  …超音波受信部
２６０  …超音波パルス
２６２  …板波
２６４・２６６ａ・２６６ｂ  …反射波
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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