(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が流れる配管に超音波パルスを出力し、前記流体中の粒子によって反射された超音波パルスを入力して電気信号に変換するトランスデューサと、
このトランスデューサが出力する電気信号に基づいて、前記配管の流路断面の平均流速を測定する流速測定部と、
前記トランスデューサが出力する電気信号と、前記配管の断面方向における流速分布を定める関数に基づいて、前記配管の流路内壁近傍の流速分布を求め、この流速分布に基づいて前記配管の流路口径を測定する口径測定部と、
前記流速測定部と前記口径測定部の測定結果に基づき、前記流体の流量を算出する流量算出部と、
を備え、
前記口径測定部は、前記配管の内側に付着した付着物により前記配管の内径よりも減少した実効的な径を前記流路口径として測定し、
前記口径測定部は、前記流路口径よりも内側における流速分布に基づいて前記流路口径を測定することを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】
前記配管の断面方向における流速分布を定める関数は、流速分布の対数則に基づく関数であることを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
【請求項３】
前記配管の断面方向における流速分布を定める関数は、流速分布の指数則に基づく関数であることを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
【請求項４】
前記配管の断面方向における流速分布を定める関数は、流速分布の多項式であることを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
【請求項５】
前記トランスデューサは、前記配管の外側に設置されるクランプオンタイプであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の超音波流量計。
【請求項６】
前記口径測定部は、測定した前記配管の前記流路口径が、あらかじめ定めた前記配管の口径と所定の許容値以上異なる場合にアラームを出力することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の超音波流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、配管を流れる流体の流量を測定する超音波流量計に関し、さらに詳しくは、流量の測定精度を改善する超音波流量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の超音波流量計（透過法）の構成を、図面を用いて説明する。
図３は従来の超音波流量計１００の例を示した構成図である。ここでは特に、流体が流れる配管の外側にトランスデューサ（検出器）が取り付けられるクランプオンタイプを例として説明する。
【０００３】
図３において、配管１に取り付けられるトランスデューサ２１は、配管１内の流体の流れに沿って斜め方向に超音波パルスを出力する。超音波パルスは、配管１の対向部に取り付けられたトランスデューサ２２に入力する。
同様に、トランスデューサ２２は、超音波パルスを配管１内の流体の流れと逆向きの斜め方向に出力し、超音波パルスはトランスデューサ２１に入力する。
トランスデューサ２１，２２は、入力した超音波パルスを電気信号に変換し出力する。
流速測定部３は、トランスデューサ２１，２２が出力する電気信号に基づき、流体の平均流速を求める。
流量算出部４は、流速測定部３および、図示しない入力部と接続されており、流速測定部３が出力する流体の平均流速と、入力部によって設定された配管１の口径の断面積とに基づいて、流体の体積流量を求める。
【０００４】
このような従来の超音波流量計１００の動作例を、図面を用いて説明する。
図３において、トランスデューサ２１は、配管１内に超音波パルスを出力する。超音波パルスは、配管１の管壁を通過して、流体中を進み、配管１の対向部に取り付けられたトランスデューサ２２に入力する。
トランスデューサ２２は配管１に超音波パルスを出力する。超音波パルスは、流体中を進み、トランスデューサ２１に入力する。
トランスデューサ２１，２２は、入力した超音波パルスを電気信号に変換し出力する。
流速測定部３は、トランスデューサ２１，２２が出力する電気信号に基づき、流れに沿った向きと流れに逆らった向きとで超音波信号の伝播時間に差が生じることを利用し、流体の平均流速を求める。
流量算出部４は、図示しない入力部から予め配管１の口径を設定しておき、流速測定部３によって求められた流体の平均流速に、設定された口径の断面積を乗じて流体の体積流量を求める。
【０００５】
次に、従来の超音波流量計（反射法）の構成を、図面を用いて説明する。
図３において、トランスデューサ２１は、超音波パルスを配管１へ、流れに沿って斜めに出力する。超音波パルスは、配管１の管壁を通過して、流体中を進み、流体中の気泡等の粒子に反射する。
トランスデューサ２１は、粒子に反射した超音波パルスを再び入力し、電気信号に変換し出力する。
流速測定部３は、トランスデューサ２１が出力する電気信号に基づき、流体の配管断面方向の流速分布を求める。
流量算出部４は、流速測定部３および、図示しない入力部と接続されており、流速測定部３が出力する流体の配管断面方向の流速分布と、入力部によって設定された配管１の口径と、から流体の体積流量を求める。
【０００６】
このような超音波流量計（反射法）の動作例を、図面を用いて説明する。
図３において、超音波パルスはトランスデューサ２１によって配管１に出力される。流体中の粒子は超音波パルスを反射し、反射した超音波パルスはトランスデューサ２１に入力され、電気信号に変換される。トランスデューサ２１は超音波パルスを定められたタイミングで複数回出力する。
図３の例では流体と流体中の粒子は、配管１の中を図面の左から右へ流れており、超音波パルスは、出力されるタイミングによって、トランスデューサ２１から出力され粒子により反射され戻るまでの時間の変化が生ずる。この時間の変化に基づいて、流速測定部３は粒子の移動距離をもとめ、この移動距離と、超音波パルスの出力間隔と、に基づいて粒子の速度を求める。さらに、流速測定部３は、このような流体中の粒子の速度を、配管１の断面全体にわたって求め、流速分布を得る。
流量算出部４は、図示しない入力部から予め配管１の口径を設定しておき、流速測定部３によって求められた流体の配管断面方向の流速分布を、配管１の口径断面方向にわたって積分し体積流量を求める。
だたし、反射法では、配管１の管壁近傍においては、配管残響信号等のノイズにより流速の測定が困難なため、配管１の管壁近傍以外の流速測定値に基づいて、流速を推測している。
【０００７】
特許文献１には、透過法により、流体の体積流量を測定する超音波流量計の構成が詳細に記載されている。
特許文献２には、反射法により、流体の体積流量を測定する超音波流量計の構成が詳細に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平５−３１２６１１号公報
【特許文献２】特開２０１０−１０１７６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながらこのような超音波流量計では、流量を算出する際に予め定められた配管口径を用いるために、配管の実際の流路口径が付着物等によって減少した場合、付着物の厚さに応じて誤差が生じるという問題があった。また、この付着物は、音響インピーダンスが配管を流れる流体に近いこともあり、音響インピーダンスを用いる一般の超音波配管厚さ計では、厚さ測定が困難であるという課題があった。
【００１０】
そこで本発明の目的は、配管断面のある地点における流速と、配管の断面方向における流速分布を定める関数とに基づいて、配管流路の真の断面積を求めることによって、配管の実際の流量口径が付着物等によって変化した場合でも流量の測定精度を確保できる超音波流量計を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
このような課題を解決するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
流体が流れる配管に超音波パルスを出力し、前記流体中の粒子によって反射された超音波パルスを入力して電気信号に変換するトランスデューサと、
このトランスデューサが出力する電気信号に基づいて、前記配管の流路断面の平均流速を測定する流速測定部と、
前記トランスデューサが出力する電気信号と、前記配管の断面方向における流速分布を定める関数に基づいて、前記配管の流路内壁近傍の流速分布を求め、この流速分布に基づいて前記配管の流路口径を測定する口径測定部と、
前記流速測定部と前記口径測定部の測定結果に基づき、前記流体の流量を算出する流量算出部と、
を備え、
前記口径測定部は、前記配管の内側に付着した付着物により前記配管の内径よりも減少した実効的な径を前記流路口径として測定し、
前記口径測定部は、前記流路口径よりも内側における流速分布に基づいて前記流路口径を測定することを特徴とする。
【００１２】
請求項２記載の発明は、請求項１に記載の発明であって、
前記配管の断面方向における流速分布を定める関数は、流速分布の対数則に基づく関数であることを特徴とする。
【００１３】
請求項３記載の発明は、請求項１に記載の発明であって、
前記配管の断面方向における流速分布を定める関数は、流速分布の指数則に基づく関数であることを特徴とする。
【００１４】
請求項４記載の発明は、請求項１に記載の発明であって、
前記配管の断面方向における流速分布を定める関数は、流速分布の多項式であることを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
【００１５】
請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の発明であって、
前記トランスデューサは、前記配管の外側に設置されるクランプオンタイプであることを特徴とする。
【００１６】
請求項６記載の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の発明であって、
前記口径測定部は、測定した前記配管の流路口径が、あらかじめ定めた前記配管の口径と所定の許容値以上異なる場合にアラームを出力することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、トランスデューサが、流体が流れる配管に超音波パルスを出力し、流体中の粒子によって反射された超音波パルスを入力して電気信号に変換し、流速測定部が、トランスデューサが出力する電気信号に基づいて配管の流路断面の平均流速を測定し、口径測定部が、トランスデューサが出力する電気信号と、配管の断面方向における流速分布を定める関数に基づいて、配管の流路内壁近傍の流速分布を求め、この流速分布に基づいて配管の流路口径を測定し、流量算出部が、流速測定部と口径測定部の測定結果に基づいて、流体の流量を算出するので、配管の実際の流量口径が付着物等によって変化した場合でも流量の測定精度を確保できる超音波流量計を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施例の構成図である。
【図２】配管断面方向における流体の流速分布を説明した図である。
【図３】従来の超音波流量計の構成例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下本発明を、図面を用いて詳細に説明する。
図１は本発明の一実施例を示した構成図である。ここで、図３と同一のものは、同一符号を付して説明を省略する。
【００２０】
図１において、超音波流量計２００は、配管１に取り付けられている。配管１には付着物１１が付着しており、流体は付着物１１の内側を流路とする。
口径測定部５は、トランスデューサ２１の電気信号を入力し、配管１の特定の領域の地点における流速を求め、この結果と、配管１の断面方向における流速分布を定める関数に基づいて、配管１の見かけの口径（流路口径）を測定する。
流量算出部４は、流速測定部３が測定した平均流速と、口径測定部５が測定した配管１の流路口径に基づいて、流体の流量を求める。
口径測定部５のアラーム手段５１は、図示しない入力部によって付着物１１が無い時点における配管１の口径が予め設定されており、この口径と、口径測定部５が求めた配管１の流路口径とが所定の許容値以上異なる場合には、アラームを送出する。
【００２１】
このような超音波流量計２００の動作例を、図面を用いて詳細に説明する。
図１において、口径測定部５は、トランスデューサ２１の電気信号を入力し、流速を求める。
ここで、流速を測定する地点が配管１の流路壁から十分離れている場合、流速は安定的に測定できるが、流路壁近傍では、配管残響信号等により測定値が安定しない。この流速の測定値が安定しない部分を、経験的に知られている流速分布関数を用いて外挿して求める。以下にその実施例を説明する。
【００２２】
流速分布を表す関数（配管を流れる流体の断面方向における流速分布関数）は、
いわゆる対数則として、
f(x)=V(1-x/r0)^(1/(2*logRe-2))・・・（式１）
指数則として、
f(x)=V(1-x/r0)^(1/7)・・・（式２）
多項式として、
f(x)=-V(x^2-r0^2)/(r0^2)・・・（式３）
等が知られている。
ここで、式１〜３いずれにおいても、べき乗の演算子を「＾」とし、
f(x)：  配管断面の中心からの距離xにおける、流体流速
V:    配管断面の中心での流体流速（最大流速）
x:    配管断面の中心からの距離
r0:    流路断面の半径
Re:    レイノルズ数
である。
図２は、流体の配管１の断面方向における流速分布の模式図で、配管１の内壁に付着物１１がある場合を例に示している。縦軸は、配管内の断面方向の座標（配管中心からの距離）を表し、横軸は、流体の流速を表している。図２に示す流速分布（プロファイル）のうち、実線で示されている領域（例えばＡ〜Ｅ）については、安定的に測定できるものの、点線部分の領域（たとえばＦ、Ｇ）については、流速の測定値が不安定となる。そこで、実線で示されている領域（たとえばＡ〜Ｅの全部または一部）の流速を測定し、それらの測定データを、流速分布を表す関数（式１〜３）等に当てはめて外挿することで、流速が０となる地点（Ｇ）を求める。そしてこの地点（Ｇ）を配管１の新たな流路内壁面と推定して、流路断面を求める。
【００２３】
流量算出部４は、流速測定部３が測定した平均流速と、口径測定部５が求めた配管１の新たな流路口径に基づいて、流体の体積流量を求める。
口径測定部５のアラーム手段５１は、新たな流路口径が、配管１の予め設定されている口径と所定の許容値以上異なる場合には、アラームを送出する。
【００２４】
このように、トランスデューサ２１が、流体が流れる配管１に超音波パルスを出力し、流体中の粒子によって反射された超音波パルスを入力して電気信号に変換し、流速測定部３が、トランスデューサ２１が出力する電気信号に基づいて配管１の流路断面の平均流速を測定し、口径測定部５が、トランスデューサ２１が出力する電気信号と、配管１の断面方向における流速分布を定める関数に基づいて、配管１の流路内壁近傍の流速分布を求め、この流速分布に基づいて配管１の流路口径を測定し、流量算出部４が、流速測定部３と口径測定部５の測定結果に基づき、流体の流量を算出するので、配管１の実際の流量口径が付着物等によって変化した場合でも流量の測定精度を確保できる超音波流量計を実現することができる。
【符号の説明】
【００２５】
１  配管
２  トランスデューサ
３  流速測定部
４  流量算出部
５  口径測定部
５１  アラーム手段
２００  超音波流量計
【図２】
0005483192.tif 000002
【図３】
0005483192.tif 000003
【図１】
0005483192.tif 000004