(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
トリガ信号を出力するトリガ発振手段と、
このトリガ発振手段からのトリガ信号により超音波パルス発振信号を出力するパルサーレシーバと、
このパルサーレシーバからの超音波パルス発振信号により、超音波パルスを流体内の測定線に向けて発振させるトランスジューサと、
このトランスジューサから発振された超音波パルスが、流体配管内を流れる流体内に懸濁する超音波反射体で反射され、その反射波である超音波エコー信号を受信処理して解析し、前記測定線に沿う超音波反射体の位置と速度を求める信号処理手段とを有し、
前記トリガ発振手段は、パルサレシーバおよびＡＤコンバータにトリガ信号を出力してパルサーレシーバとＡＤコンバータ間の信号授受タイミングを制御し、かつ超音波パルス発振および超音波エコー信号受信を３回連続させ、その後一定の待ち時間を備えるように調節設定し、
前記信号処理手段は、超音波エコー信号をデジタル信号に変換するＡＤコンバータを備える一方、連続３発振の連続パルスの反射波である３つの超音波エコー信号から隣り合う２つの超音波エコー信号の相互相関をとり独立した２つの流速分布を算出するように構成したことを特徴とする超音波流速分布及び流量計。
【請求項２】
前記信号処理手段は、超音波パルスの発振時間間隔Δｔ毎に、前記測定線上に存在する超音波反射体からの連続３発振の超音波パルスの反射波である３つの超音波エコー信号がトランスジューサから伝達され、このトランスジューサからの超音波発振周波数に応じた周波数帯の超音波エコー信号を選択するフィルタを有するパルサーレシーバと、
このパルサーレシーバから連続３受信の超音波エコー信号をサンプリングしてデジタル信号に変換するＡＤコンバータと、
デジタル化された３つの超音波エコー信号から隣り合う２つの相互相関をとり独立した２つの流速分布を算出し、前記測定線沿いに速度分布を求める流速分布算出手段とを備えた請求項１記載の超音波流速分布及び流量計。
【請求項３】
前記パルサーレシーバからのデジタル化された超音波エコー信号に反射波とノイズを区別する目的で振幅に閾値を設定し、閾値を超えた超音波エコー信号同士の相互相関をとり、
流体内の同一超音波反射体からの反射であることを識別する目的で相互相関の最大値に対して閾値を設定し、閾値を超えた相互相関値から信号位相差を求め、
さらに、連続３発振の超音波パルスの反射波である３つの超音波エコー信号から隣り合う２つの超音波エコー信号の相互相関をとり、得られた２つの相互相関の最大値に対して閾値を設定し、これらの閾値を超えた相互相関信号から信号位相差を求めたり、
もしくは、連続３発振の超音波パルスの反射波である３つの超音波エコー信号から隣り合う２つの超音波エコー信号の波形の相互相関をとり、得られた２つの相互相関の波形形状に閾値を設定し、これらの閾値を超えた相互相関信号から信号位相差を求め、速度分布を求める流速分布算出手段及び流量測定手段を備えた請求項１または２に記載の超音波流速分布及び流量計。
【請求項４】
前記信号処理手段は、流体内の同一超音波反射体からの反射であることを識別する目的で連続３発振の超音波パルスの３つの反射波から隣り合う２つの超音波エコー信号の相互相関の最大値に対して閾値を設定したり、又は隣り合う２つの超音波エコー信号の波形の相互相関の波形形状に対する閾値を設定し、上記閾値を可変とし、被測定流体中の超音波反射体の多少に応じてこれらを最適化した、速度分布を求める流速分布算出手段及び流量測定手段を備えた請求項１記載の超音波流速分布及び流量計。
【請求項５】
前記信号処理手段は、超音波を利用して、反射波のサンプリング時間間隔をもった、離散的な相互相関関数をもとめ、さらに、超音波反射体であるトレーサ粒子群からの超音波を利用したパルス反射波の形状を保存するため、超音波パルスの発振間隔Δｔの間隔を短くすべく、分布近似を利用してより細分割したメッシュで相互相関関数のピークを求める流速分布算出手段及び流量測定手段を備えた請求項１記載の超音波流速分布及び流量計。
【請求項６】
前記パルサーレシーバは、トリガ信号を入力するトリガタイムと超音波パルス発振信号を出力する信号発信時間との間のバラツキを、発振された超音波パルスの反射波のうち最初に表われる超音波エコー信号同士に相互相関をかけて信号発信時間の時間遅れを補正した請求項１記載の超音波流速分布及び流量計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波パルスの利用して流体の流速分布および流量を測定する超音波流速分布及び流量計に係り、特に、比較的クリーンな流体を含む種々の流体の流速分布および流量を非接触測定できる超音波流速分布及び流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波パルスのドップラ効果を利用したドップラ式超音波流量計として特開２０００−９７７４２号公報に開示された技術がある。
【０００３】
このドップラ式超音波流量計は、トランスジューサから超音波パルスを流体配管内の測定線に向けて発射し、流体配管内を流れる流体内の懸濁微粒子からの反射波である超音波エコー信号を解析して懸濁微粒子の位置と速度から測定線に沿う流体の流速分布および流量を求める装置である。測定線はトランスジューサから発射される超音波パルスのビームにより形成される。
【０００４】
ドップラ式超音波流量計は、不透明流体・不透明流体配管内に適応することができ、流体配管内を流れる流体を非接触測定でき、測定線に沿う線測定で流体配管内の流速分布や、流量が測定できる一方、不透明流体の流速分布や流量測定にも適用でき、水銀・ナトリウム等の液体金属の流動測定にも利用できる利点がある。
【０００５】
ドップラ式超音波流量計では、トランスジューサから流体内に発射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が得られるので、流体配管内を流れる流体の過渡流れや乱流の場における流体の速度分布や流量計測への応用が期待されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来のドップラ式超音波流量計では、流体配管内を流れる測定対象流体に懸濁微小粒子や気泡等の超音波反射体が多数存在し、超音波反射体が連続的に測定線（超音波ビーム）上に流れてくることが流体の流速分布に必要な測定条件である。トランスジューサからの測定線上に、超音波反射体が流体に混在して連続して流れてこないと、流体の流速分布測定に欠陥が生じ、流体の流速分布や流量測定の精度が低下する問題があった。
【０００７】
また、従来のドップラ式超音波流量計は、超音波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速を求めているが、既存のドップラ式超音波流量計の信号処理法では、ひとつの速度分布を得るために、多数の超音波パルスを繰り返し発射させなければならない。超音波パルスを繰り返し発射させる従来のドップラ式超音波流量計では、時間分解能が最高でも１０ｍｓ程度と低いために、流体配管内を流れる流体流動場に過渡流れや乱流が存在すると、流体の流速分布および流量を正確に精度よく測定することが困難であった。
【０００８】
本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、時間分解能を向上させ、流体配管内に過渡流れや乱流が存在しても、流体の流速分布および流量を正確に精度よく測定することができる超音波流速分布及び流量計を提供することにある。
【０００９】
本発明の別の目的は、測定対象流体の測定線上に超音波反射体が不連続かつ間欠的に流れてくる状態でも、超音波反射体の位置・速度データを蓄積し、流体の流速分布および流量を精度よく測定できる超音波流速分布及び流量計を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る超音波流速分布及び流量計は、上述した課題を解決するために、請求項１に記載したように、トリガ信号を出力するトリガ発振手段と、このトリガ発振手段からのトリガ信号により超音波パルス発振信号を出力するパルサーレシーバと、このパルサーレシーバからの超音波パルス発振信号により、超音波パルスを流体内の測定線に向けて発振させるトランスジューサと、このトランスジューサから発振された超音波パルスが、流体配管内を流れる流体内に懸濁する超音波反射体で反射され、その反射波である超音波エコー信号を受信処理して解析し、前記測定線に沿う超音波反射体の位置と速度を求める信号処理手段とを有し、前記トリガ発振手段は、パルサレシーバおよびＡＤコンバータにトリガ信号を出力してパルサーレシーバとＡＤコンバータ間の信号授受タイミングを制御し、かつ超音波パルス発振および超音波エコー信号受信を３回連続させ、その後一定の待ち時間を備えるように調節設定し、前記信号処理手段は、超音波エコー信号をデジタル信号に変換するＡＤコンバータを備える一方、連続３発振の連続パルスの反射波である３つの超音波エコー信号から隣り合う２つの超音波エコー信号の相互相関をとり独立した２つの流速分布を算出するように構成したものである。
【００１１】
また、上述した課題を解決するために、本発明に係る超音波流速分布及び流量計は、請求項２に記載したように、前記信号処理手段は、超音波パルスの発振時間間隔Δｔ毎に、前記測定線上に存在する超音波反射体からの連続３発振の超音波パルスの反射波である３つの超音波エコー信号がトランスジューサから伝達され、このトランスジューサからの超音波発振周波数に応じた周波数帯の超音波エコー信号を選択するフィルタを有するパルサーレシーバと、このパルサーレシーバから連続３受信の超音波エコー信号をサンプリングしてデジタル信号に変換するＡＤコンバータと、デジタル化された３つの超音波エコー信号から隣り合う２つの相互相関をとり独立した２つの流速分布を算出し、前記測定線沿いに速度分布を求める流速分布算出手段とを備えたものである。
【００１２】
さらに、上述した課題を解決するために、本発明に係る超音波流速分布及び流量計は、請求項３に示したように、前記パルサーレシーバからのデジタル化された超音波エコー信号に反射波とノイズを区別する目的で振幅に閾値を設定し、閾値を超えた超音波エコー信号同士の相互相関をとり、流体内の同一超音波反射体からの反射であることを識別する目的で相互相関の最大値に対して閾値を設定し、閾値を超えた相互相関値から信号位相差を求め、さらに、連続３発振の超音波パルスの反射波である３つの超音波エコー信号から隣り合う２つの超音波エコー信号の相互相関をとり、得られた２つの相互相関の最大値に対して閾値を設定し、これらの閾値を超えた相互相関信号から信号位相差を求めたり、もしくは、連続３発振の超音波パルスの反射波である３つの超音波エコー信号から隣り合う２つの超音波エコー信号の波形の相互相関をとり、得られた２つの相互相関の波形形状に閾値を設定し、これらの閾値を超えた相互相関信号から信号位相差を求め、速度分布を求める流速分布算出手段及び流量測定手段を備えたものであり、請求項４に示したように、前記信号処理手段は、流体内の同一超音波反射体からの反射であることを識別する目的で連続３発振の超音波パルスの３つの反射波から隣り合う２つの超音波エコー信号の相互相関の最大値に対して閾値を設定したり、又は隣り合う２つの超音波エコー信号の波形の相互相関の波形形状に対する閾値を設定し、上記閾値を可変とし、被測定流体中の超音波反射体の多少に応じてこれらを最適化した、速度分布を求める流速分布算出手段及び流量測定手段を備えたものである。
【００１３】
また、上述した課題を解決するために、本発明に係る超音波流速分布及び流量計は、請求項５に示したように、前記信号処理手段は、超音波を利用して、反射波のサンプリング時間間隔をもった、離散的な相互相関関数をもとめ、さらに、超音波反射体であるトレーサ粒子群からの超音波を利用したパルス反射波の形状を保存するため、超音波パルスの発振間隔Δｔの間隔を短くすべく、分布近似を利用してより細分割したメッシュで相互相関関数のピークを求める流速分布算出手段及び流量測定手段を備えたものである。
【００１４】
さらに、上述した課題を解決するために、本発明に係る超音波流速分布及び流量計は、請求項６に記載したように、前記パルサーレシーバは、トリガ信号を入力するトリガタイムと超音波パルス発振信号を出力する信号発信時間との間のバラツキを、発振された超音波パルスの反射波のうち最初に表われる超音波エコー信号同士に相互相関をかけて信号発信時間の時間遅れを補正したものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明に係る超音波流速分布及び流量計の実施の形態について添付図面を参照して説明する。
【００１７】
［測定システム］
図１は、本発明に係る超音波流速分布及び流量計の一実施形態を概略的に示す測定システムである。
【００１８】
この超音波流速分布及び流量計１０は、携帯式コンピュータとしてのパーソナルコンピュータ（以下、パソコンという。）１１に流体の流速分布および流量計測機能を付加したものである。
【００１９】
超音波流速分布及び流量計１０は、トリガ信号を出力するトリガ発振手段としてのトリガ発振ボード１２と、このトリガ発振ボード１２に信号線としてのコネクタケーブル１３を介して接続されたパルサーレシーバ１４とアナログデジタルコンバータボードとしてのＡＤコンバータ１５とを有する。トリガ発振ボード１２はパルサーレシーバ１４およびＡＤコンバータ１５の信号授受タイミングを制御しており、トリガ信号の出力波形は、予め設定されたソフトウエアのプログラムにより任意に設定できる。
【００２０】
パルサーレシーバ１４は、信号線であるコネクタケーブル１６を介してトランスジューサ１７に接続される。パルサーレシーバ１４は、トリガ発振ボード１２からのトリガ信号（電気信号）を入力して超音波パルス発振信号（電気信号）をトランスジューサ１７に出力する超音波パルス発振ボードあるいは超音波パルス発振信号出力手段として機能する。パルサーレシーバ１４は、デジタルシンセサイザを内蔵し、５０ｋＨｚから２０ＭＨｚまでの超音波パルス発振信号の出力が可能であり、様々な発振周波数特性を有するトランスジューサ１７に対応できる。
【００２１】
一方、トランスジューサ１７は、パルサーレシーバ１４から出力される超音波パルス発振信号の電気信号を超音波パルスに変換し、測定線ＭＬに沿って発射させるようになっている。トランスジューサ１７は被測定流体である測定対象流体１９を案内する流体配管２０に所定の設置角度θをなして外側から設置される。トランスジューサ１７は流体配管２０に音響インピーダンスを整合させるため、一般的には図示しない音響カプラを介して設けられる。
【００２２】
トランスジューサ１７から発振された超音波パルスは流体配管２０内を流れる流体１９中に入射され、懸濁する（混在する）超音波反射体により反射される。その反射波はトランスジューサ１７に戻り、このトランスジューサ１７にて反射波の大きさに応じた超音波エコー信号（電気信号）に変換される。超音波パルスの反射波である超音波エコー信号は続いてパルサーレシーバ１４に送られ、パルサーレシーバ１４に内蔵されたローパスおよびハイパスフィルタ、またはバンドパスフィルタにより反射波である超音波エコー信号をフィルタリングし、使用超音波パルスの周波数帯のみを抽出し、ノイズの悪影響を抑制している。パルサーレシーバ１４は超音波パルス受信手段も兼ねている。
【００２３】
パルサーレシーバ１４でフィルタリングされたアナログ式の超音波エコー信号は続いてＡＤコンバータ１５に送られ、このＡＤコンバータ１５にて超音波エコー信号をデジタル信号に変換している。ＡＤコンバータ１５は、反射波を高速にデジタルサンプリングするために必要であり、ＡＤコンバータ１５で変換されたデジタルデータはＡＤコンバータ１５のボード上のメモリ２２に蓄えられ、パソコン１１のハードディスクへの保存が可能となる。
【００２４】
ＡＤコンバータ１５の解像度は、例えば８ｂｉｔでサンプリング周波数が５００ＭＨｚまで可能である。
【００２５】
前記パルサーレシーバ１４およびＡＤコンバータ１５は信号処理手段２３を流速分布算出手段２４とともに構成している。信号処理手段２３は、超音波パルス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、前記超音波反射体あるいは超音波反射体群の位置と速度を求め、流体の流速分布および流量を測定するようになっている。流速分布算出手段２４はパソコン１１に内蔵された演算手段である。流速分布算出手段２４はＡＤコンバータ１５にメモリ２２とともに内蔵させてもよい。流速分布算出手段２４は、流体の流速分布だけを算出し、算出された流速分布から、流量算出手段２５により流体の流量を算出してもよい。流量算出手段２５はパソコン１１あるいはＡＤコンバータ１５に内蔵させてもよい。また、流速分布算出手段２４で流体の流速分布と流量を計測できるように演算手段をセットしてもよい。
【００２６】
一方、トランスジューサ１７は、被測定流体である測定対象流体１９を流す流体配管２０に外側から流体配管２０の軸線方向に対し所要の角度（設置角度）θで取り付けられる。トランスジューサ１７は音響カプラを介して流体配管２０に取り付けられ、トランスジューサ１７から発振される超音波パルスが流体配管２０内にスムーズに入射されるように案内される。
【００２７】
超音波流速分布及び流量計１０は、パソコン１１に組み込まれるパルサーレシーバ１４、ＡＤコンバータ１５およびトリガ発振ボード１２をそれぞれ操作するソフトウエアが必要である。ＡＤコンバータ１５のソフトウエアは、アナログ入力信号をデジタル出力信号に変換することができる一方、出力されたデジタル信号の信号処理を同時に開始し、リアルタイムで速度分布の表示ができるように構成される。
【００２８】
［流体の流速分布および流量の測定］
次に、超音波流速分布及び流量計１０を用いた流体の流速分布および流量の計測作用について説明する。
【００２９】
この超音波流速分布及び流量計１０を用いて測定対象流体１９の流速分布および流量を計測するために、実験設備では、流体配管２０として内径Ｄが例えば４４ｍｍφのアクリル樹脂管２０ａを使用し、図２（Ａ）および（Ｂ）に示すように、管開始位置より管軸方向（Ｘ方向）に１９・Ｄの位置にトランスジューサ１７を外側から設置した。トランスジューサ１７は、アクリル樹脂管２０ａに対し傾斜角度θをなして水中に設置した。符号２６はオーバフロータンク、符号２７は縮流器、符号２８は実験領域のアクリル樹脂管２０ａを水中に設置するための容器である。測定対象流体としてこの実験設備では水を用いた。符号Ｆは水の流れ方向を示すものである。
【００３０】
この超音波流速分布及び流量計１０は、信号処理手段２３で相互相関法を用いた信号処理を行い、ある一定の時間間隔をもって得られた、最低２つの反射波から測定線ＭＬに沿う流体の速度分布を導き出す手法を用いて流量計測を行なうようになっており、従来のドップラ式超音波流量計に較べ、時間分解能を飛躍的に向上させることができる。
【００３１】
ただ、この方法は、非常に短い時間間隔の反射波のデータを連続してＡＤコンバータ１５に蓄積してから計算を行なうため、反射波のデータ量が多く、反射波データの取得や計算に時間がかかり、流体の流速分布をリアルタイムで表示させる場合、不都合である。このことから、取扱う反射波のデータ量を小さくし、連続する３つの反射波からデータを取得し、流体の流速分布を表示してから、次の反射波の取得を行なう。
【００３２】
超音波流速分布及び流量計１０は、トリガ発振ボード１２からトリガ発振信号（電気信号）がパルサーレシーバ１４とＡＤコンバータ１５に送られると、パルサーレシーバ１４から超音波パルス発振のための電気信号がトランスジューサ１７に送信される。トランスジューサ１７は、超音波パルス発振信号を受信して所要周波数、例えば４ＭＨｚの正弦波状の超音波バースト信号に変換され、超音波パルスの発振を行なう。
【００３３】
トランスジューサ１７は超音波パルスのビームを流体配管２０内に投影する一方、超音波パルスの発振後、測定対象流体１９に混在する気泡やパーティクル粒子等の超音波反射体からの反射波の受信を開始し、得られた反射波の超音波エコー信号をパルサーレシーバ１４に返信させる。この超音波の反射波は、パルサーレシーバ１４の機能により、超音波周波数に応じたバイパスおよびローパスフィルタにより信号処理された後、ＡＤコンバータ１５に転送され、高速でデジタルサンプリング処理され、デジタル化される。
【００３４】
ＡＤコンバータ１５は、サンプリング処理されたデジタル超音波エコー信号同士を極めて短時間幅、例えば１μｓ毎に、相互相関法を用いて信号の位相差を解析することにより、流体配管２０内を流れる流体１９の測定線（アクリル樹脂管２０ａの直径方向線）ＭＬに沿う速度分布を求めることができる。この流体の流速分布をアクリル樹脂管２０ａの内部面積に沿って積分することにより、流量を容易にかつ正確に精度よく求めることができる。
【００３５】
この超音波流速分布及び流量計１０では、パルサーレシーバ１４およびＡＤコンバータ１５間における信号授受タイミングは、トリガ発振ボード１２により行なわれる。各ボード１２，１４，１５間の信号授受タイミングの取り方は、図３に示すようにタイミング制御され、３回連続でパルス発信および信号受信を短時間間隔で行なった後、一定の待ち時間を設けて１サイクルとし、以後、このサイクルが繰り返されるように制御される。この待ち時間を設定することで、時間分解能を大幅に向上させることができる。
【００３６】
ところで、超音波流速分布及び流量計１０は、図４に示すように、トレーサ粒子（超音波反射体）３０の移動に伴う信号の移動量を信号処理により求めるのであるが、パルサーレシーバ１４のトリガタイムと超音波エコー発振信号の信号発信時間との間に、図５に示すように、不確定な時間遅れが存在する。一方、信号処理で正しく求められる信号の移動量は限られるので、パルサーレシーバ１４によるハードウエア上不可避な信号発信時間遅れのバラツキ誤差は計測精度上大きな支障を来す。
【００３７】
一方、超音波流速分布及び流量計１０において、超音波エコー信号のうち、超音波バースト信号を打ってから直ぐに反射する振幅の大きな強い部分（エミッションエリアからの反射波）は、発信時間によらず、信号形状が常に等しいことに着目し、振幅の大きな強い部分の信号同士に相互相関をかけて超音波バースト信号の時間ずれを補正する。この補正により、図６に示すように、デジタルトリガ効果が表われ、信号発信のバラツキを大幅に減少させることができる。このデジタルトリガの効果により、流体の測定精度が向上することがわかる。
【００３８】
［超音波流速分布及び流量計の測定原理］
図２に示すように、水中に存在するアクリル樹脂管２０ａに超音波流速分布及び流量計１０のトランスジューサ１７をセットし、超音波反射体としてトレーサ粒子３０を懸濁させた流体としての水１９をアクリル樹脂管２０ａ内に流したときの流体の流速分布を測定する。
【００３９】
流体の流速分布を測定する際、トランスジューサ１７の圧電素子から超音波パルスを測定線ＭＬに沿って発振させると、発振された超音波パルスは、超音波反射体であるトレーサ粒子３０の表面で反射し、トランスジューサ１７に戻ってくる。この反射波は、アクリル樹脂管２０ａ内の流動場の各所で起こるため、図７に示されるように反射波が表われる。
【００４０】
最初に表われる超音波バースト信号（超音波エコー信号）ａは、エミッション領域と呼ばれ、超音波の発振直後に圧電素子の振動が残っているために生じる信号である。次に出てきた超音波バースト信号ｂは管上部によるものであり、水とアクリル樹脂の音響インピーダンスの違いから生じる信号であり、管下部による超音波バースト信号ｃも、信号ｂと同様である。超音波バースト信号ｂとｃの間にある信号ｄがアクリル樹脂管２０ａ内の流体流速情報を含んでおり、ピークが立っているところにトレーサ粒子３０が存在する。
【００４１】
トレーサ粒子３０の位置を反射波である超音波バースト信号ｄから求める。トランスジューサ１７からトレーサ粒子３０までの距離をｘ、超音波パルスを発振してから反射波を受信するまでの時間をτ、超音波の速度をｃとすると、
【数１】
0003669580.tif 000002
の関係が成立する。
【００４２】
この超音波パルスの発振と反射波の受信をある時間間隔Δｔ後にもう一度行なうと、同様の反射波を得ることができるが、Δｔの時間間隔の間に流体１９が移動すれば、トレーサ粒子３０も追従移動する。このため、反射波受信までの時間τも変化する。
【００４３】
反射波受信までの時間τの変化量をΔτとすると、ある位置ｘにおけるｘ方向速度ｕ（ｘ）は、
【数２】
0003669580.tif 000003
で表わされる。ここでΔｘはある時間間隔Δｔにおけるトレーサ粒子３０の移動量である。
【００４４】
超音波パルスの反射は、測定線ＭＬ上の各所で起こるため、この測定線ＭＬ上における流体の流速計測を同時に行なうことができ、流体の流速分布を得ることができる。
【００４５】
流体の流速分布計測をΔｔの時間間隔でｎ回（但し、ｎ≧２の自然数）連続的に連続パルス法で行なった場合、時間分解能Δｔの連続流速分布データをｎ−１枚得ることができる。
【００４６】
［相互相関関数］
ところで、超音波反射体であるトレーサ粒子による反射波は、超音波パルスの発振間隔Δｔを、流体の流速変動スケールに対して十分小さくとることにより、その時間間隔（発振間隔）Δｔの間でほぼ保存される。
【００４７】
図１に示す超音波流速分布及び流量計１０のパルサーレシーバ１４は、反射波のアナログ超音波エコー信号をＡＤコンバータ１５で高速サンプリング処理でデジタル信号に変換した後、超音波パルスの発振間隔Δｔをもって得られた２つの反射波（超音波エコー信号）の相互相関関数を計算し、流体内の同一超音波反射体からの反射であることを識別する目的で、相互相関に設定した最大値に対する閾値、又は反射波波形の相互相関の形状に対する閾値を設定することにより、定量化した数値を基に同一のトレーサ粒子群からの反射であるか否かを判断することができる。
【００４８】
一般的に、相互相関関数（Ｒ（ε，τ））は次のように定義される。
【００４９】
【数３】
0003669580.tif 000004
τが基準となる時間遅れ、ｉが参照・探索窓内での位置、εが参照波と探索窓とのずれ、ｍは超音波パルスの周期分をそれぞれ表している。
【００５０】
この相互相関関数Ｒ（ε，τ）を用いて同一のトレーサ粒子群からの反射波かどうかを定量的に判別し、それぞれの時間遅れτを計算し、そこから時間変化量Δτを求める。つまり、最初に得られた反射波、次の反射波の時間遅れτを求め、この２つの反射波の時間遅れτの差（時間差）がΔτとなる。
【００５１】
一方、流体の流速分布速度を得るために必要な超音波パルスの発振間隔Δｔによる反射波の到達時間差Δτは、デジタルサンプリングされた反射波の相互相関関数を用いることにより得られる。
【００５２】
この相互相関関数Ｒ（ε，τ）は反射波のサンプリング時間間隔をもった離散的なもので得られ、超音波パルスの発振時間間隔Δｔの間隔を短くすればするほど、トレーサ粒子群からのパルス反射波の形状は（超音波エコー信号の波形形状）保存されるため、より細分割したメッシュで時間変化量（時間差）Δτを求める手法が不可欠である。
【００５３】
そこで超音波パルスの発振時間間隔Δｔの間隔を短くすべく、例えば正規分布近似を利用した補完を行なうことができる。この補完により、より細分割したメッシュで相互相関関数のピークを求めることができ、その結果速度分解能も向上する。
【００５４】
今、離散的に得られた各相関値の最大値をＰｋ、その前後の相関値をそれぞれＰｋ−１，Ｐｋ＋１とすれば、
【数４】
0003669580.tif 000005
となる。本発明に係る超音波流速分布及び流量計においては、請求項２から４の手法に加え、さらに、この分布近似を利用した補完を行なって信号処理することにより、速度分解能を格段に向上させることができる。
【００５５】
［反射波の振幅・相関値のしきい値の設定］
超音波流速分布及び流量計１０による実際の流速分布や流量の計測においては、誤ったトレーサ粒子の位置および速度情報を得る可能性があり、これを避けるため、振幅・相関値の閾値を利用した処理法を説明する。
【００５６】
第１に、実際に反射が起こっていない部分をトレーサ粒子からの超音波パルスの反射波として捉えてしまう場合がある。これは、ノイズ信号を誤って有効信号として捉えてしまうためであり、このような誤信号をノイズとして捉えるのを防止し、ノイズを棄却するために閾値を設定する。そして、参照波にその閾値よりも大きな値を探索波が持つときに限り相互相関を計算し、そうでない場合は棄却することにより、反射波とノイズを区別する。
【００５７】
もう１つは反射波の相互相関を計算するときに、異なるトレーサ粒子群からのパルス反射波を同一の信号とみなしてしまう場合である。相互相関の計算を行なうとき、もし同じ形状のパルス反射波がなかったとしても、相関値が最大となるような時間変化量（時間差）Δτを有効データと判断してしまうため、誤った速度値が表示されることになる。そこで相互相関関数の最大値にも、閾値を設ける。この閾値の設定により、超音波パルスの発振時間間隔Δｔの大きさを十分小さくとれば、パルス反射波（超音波エコー信号）の形状は殆ど変化せず、もしくは、連続する２つ以上のパルス反射波の相互相関の形状に閾値を設定し、これらの閾値を満たした相互相関信号から信号位相差を求め、これらの閾値を、得られた反射波に合わせて設定し、計算処理を行うことによって、速度分布計測の信頼性は向上する。
【００５８】
［エミッショントリガの導入］
図１に示した超音波流速分布及び流量計１０は、実験で使用された測定システムの概略図である。この測定システムでは、正弦波上の超音波パルスの発振・受信に用いるパルサーレシーバ１４およびアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤコンバータ１５の制御を外部トリガであるトリガ発振ボード１２で行なっている。
【００５９】
一方、ＡＤコンバータ１５のサンプリング周波数を数百ＭＨｚのオーダーで設定する場合、厳密にトリガ通りに動かすことは非常に難しく、周波数シフトが生じる。そこで、トランスジューサ１７からの超音波パルスの発振直後に反射波に生じるエミッション領域に注目し、先に受信した反射波のエミッション領域を探索波、後に受信した反射波のエミッション領域を参照波としての相互相関の計算を行ない、時間変化量Δτを求め、さらに分布近似による補完を行ない、相互相関の計算を行なう前に、この時間変化量Δτの分だけ修正する。但し、反射波のサンプリング時間間隔で修正を行った後、より小さい離散間隔で細分割したメッシュで最後に計測線上の各点での時間変化量Δτに修正を加え、トリガ発振ボード１２からのトリガによる微妙な時間のずれを補正する。
【００６０】
［トリガ間隔］
この超音波流速分布及び流量計１０においては、図１０に示すように、トリガ発振ボード１２から発振されるトリガ信号のかけ方を変えることが可能で、図１０（Ｂ），（Ｃ）および（Ｄ）に示すように、連続パルス法、２発信（ダブル）パルス法、および３発信（トライ）パルス法により、３種類の流体の流速分布及び流量測定法が可能である。
【００６１】
連続パルス法は、図１０（Ｂ）に示される連続発信パルス法により流体の流速分布および流量測定法をいい、パルス発信数（Ｍ）がＭ≧３をいい、最小のＭ＝３の場合が３発信（トライ）パルス法である。連続パルス法は、図１０（Ａ）に示すパルスドップラ法と比べて時間分解能が大幅に向上し、例えば１５０μｓという極めて時間分解能が高い値で測定することができる。ダブルパルス法は、少ないトレーサ粒子数で流体の流速分布や流量測定が可能である。
【００６２】
また、パルスドップラ法では、１つの速度分布計測に必要なパルス発射回数を２５（３２回）と仮定すると、図１０（Ａ）に示すように計測に３１×Δｔの時間がかかるが、ダブルパルス法では図１０（Ｃ）に示すように、Δｔしかかからず、流速分布計測時間を大幅に短縮でき、時間分解能を大幅に向上させ得る。
【００６３】
ここで、トランスジューサ１７の測定線ＭＬとトレーサ粒子３０の関係を考え、トランスジューサ１７の流体配管２０への設置角度をθとし、トランスジューサ１７の直径（有効径）をＤとすると、図１１に示すように、１つのトレーサ粒子３０から速度を求めるための条件は、パルスドップラ法では、
【数５】
0003669580.tif 000006
であるのに対し、ダブルパルス法では、
【数６】
0003669580.tif 000007
となる。
【００６４】
（７）式および（８）式より、ダブルパルス法ではパルスドップラ法に比較し、より高流速の領域まで測定可能である。さらに、ダブルパルス法は、２つの反射波の波形の相関を１回とるだけで良く、したがって、計算量が極めて少なく、リアルタイムでの流体の流速分布や流量の表示がより容易である。
【００６５】
トライパルス法は、ダブルパルス法の発展型であり、図１０（Ｄ）に示すように原理的にはダブルパルス法と同じ時間で速度分布計測を行なうことができる。トライパルス法では、図６に示すように、連続３発振の超音波パルスの反射波である３つの超音波エコー信号から、図１０（Ｄ）に示すように、隣り合う２つの超音波エコー信号の相互相関をとり、独立した２つの速度分布を得ることができる。連続する３パルス受信によりほぼ同時刻の２つの流速分布を得ることができる。
【００６６】
［時間分解能］
この超音波流速分布及び流量計１０は、時間分解能を５００μｓ以上１００μｓ程度まで向上させることができ、この時間分解能の向上により流体配管２０内に過渡流れや乱流が生じても、また、不連続かつ間欠的な流れが生じても、流体の流速分布および流量を正確に精度よく測定できる。
【００６７】
超音波流速分布及び流量計１０に連続パルス法、ダブルパルス法あるいはトライパルス法を適用して流体の流速分布および流量を得るため、２つの反射波を得るために必要な時間が時間分解能と判断されがちである。しかし、実際連続パルス法では、ｎ個（ｎ≧３）の反射波があったとき、ｎ−１枚の速度分布を得ることができる。つまり、最初に１つの反射波を取り込んだ後は、新たに１つの反射波を取り込む度に速度分布を得ることができる。したがって、この超音波流速分布及び流量計１０では、時間分解能は、連続的に反射波を取り込む際、１つの反射波を取り込むのに必要な時間であると評価でき、これは、超音波パルスの発振間隔Δｔに他ならない。
【００６８】
［速度分解能と測定限界］
流体１９の流速は、実験条件により、音速ｃおよびΔｔが定数となるから、速度の測定精度は理論的にΔτの測定精度に依存する。このΔτを得るため、２つの反射波をデジタルサンプリングし、その相互相関を取るため、移動量は整数値となり、サンプリング時間間隔をｔｓａｍｐとすれば、Δτの測定結果には±０．５ｔｓａｍｐ程度の誤差を伴うことになる。
【００６９】
サンプリング時間間隔に対応する速度、すなわちΔτが１サンプリング時間間隔であった場合に対応する速度ｕｓａｍｐはΔτをｔｓａｍｐとするだけであり、計算できる。すなわち速度分解能ｄｖは、
【数７】
0003669580.tif 000008
これに分布関数の補完を施すことにより、速度分解能の測定精度の向上が可能である。
【００７０】
この超音波流速分布及び流量計１０は、流体中に混在するトレーサ粒子等の超音波反射体３０の移動に伴い、図４に示すように、２時刻間の信号移動量を相互相関法を用いた信号処理により求め、流体の流速分布や流量を計測している。
【００７１】
この超音波流速分布及び流量計１０は、パルサーレシーバ１４およびＡＤコンバータ１５のボード間タイミングは、図３に示すように、数回連続でパルス発振および信号受信を行ない、その後、一定時間の待ち時間を設けて１サイクルを構成する連続パルス法により、流体の流速分布や流量計測が行なわれる。
【００７２】
その際、待ち時間を設定することで、時間分解能を自由に調節できる。待ち時間の設定は、トリガ発振ボード１２から発振されるトリガの発振を予めプログラミングするソフトウエアを内蔵させることにより、自由に行なうことができる。
【００７３】
実験に用いた超音波流速分布及び流量計１０では、時間分解能を約５００μｓに設定し、従来の超音波流速分布及び流量計１０より数十倍向上させることができる。
【００７４】
図１２は、超音波流速分布及び流量計１０による流体の平均流速分布とＬＤＶの流量計との比較である。超音波流速分布及び流量計１０はトランスジューサ１７は流体配管２０に対して傾けて計測し、３０００時刻の時間平均をとった平均流速分布３５であり、この流速分布３５は、ＬＤＶの測定に対する平均流速分布３６を非常によく一致する流速分布データが得られ、高精度に流速分布及び流量計測が行ない得ることがわかった。
【００７５】
図１３は、超音波流速分布及び流量計１０において、時間分解能を例えば約５００μｓに設定したとき、５時刻連続の瞬間速度分布を示すものである。図１３に示された５枚の瞬間速度分布曲線も良く近似しており、流体の流速分布を正確に精度よく測定できることを表わしている。
【００７６】
また、図１４は流体配管２０であるアクリル樹脂管２０ａの管中央付近と壁近傍の一点における瞬間速度をとったものである。管中央付近では流速のバラツキが小さく、変動も高周波成分が見られるのみであるが、壁近傍では流速のバラツキが大きく、流体の流速に周期的な波が存在することが分かる。
【００７７】
【発明の効果】
本発明に係る超音波流速分布及び流量計は、流体配管内に流れる気体や水等の液体、液体金属の流速分布および流量測定が非接触にて行ない得る他、従来のパルスドップラ法では測定が困難であった比較的クリーンな流体の流速分布および流量を、デジタル化された超音波エコー信号同士を連続３発振の連続パルス法を採用した相互相関法により比較し、信号の位相差を解析することで、流速分布および流量を正確に精度よく求めることができる。
【００７８】
本発明に係る超音波流速分布及び流量計は、超音波パルス発振および超音波エコー信号を３回連続させた後、一定の待ち時間を設定することで時間分解能を向上させることができ、流体配管内を流れる流体の過渡流れや乱流発生時の流体流れ、また、不連続的かつ間欠的な流れでも流体の流速分布および流量を精度よく正確に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る超音波流速分布及び流量計の一実施形態を概略的に示すもので、実験設備に適用した例を示す図。
【図２】（Ａ）は図１の超音波流速分布及び流量計が設置される流体配管の平断面図、（Ｂ）は図２（Ａ）の試験領域を示す断面図。
【図３】超音波流速分布及び流量計に備えられるトリガ発振ボード、パルサーレシーバおよびＡＤコンバータ間の信号授受タイミングの取り方を示すもので、連続パルス法（トライパルス法）による信号処理の例を示す図。
【図４】流体配管内を２時刻間のトレーサ粒子（超音波反射体）の移動を説明する測定原理図。
【図５】パルサーレシーバに入力されるトリガ信号（トリガタイム）とパルサーレシーバから出力される信号発信時間との間における信号発信時間遅れのバラツキを示す図。
【図６】図５における信号発信時間の時間ずれを補正したもので、デジタルトリガ効果を示す図。
【図７】本発明に係る超音波流速分布及び流量計のトランスジューサから発振される超音波パルスの反射波である超音波エコー信号の説明図。
【図８】本発明に係る超音波流速分布及び流量計を用いて流速パルス法による相互相関をとって流体の流速を測定する測定原理図。
【図９】本発明に係る超音波流速分布及び流量計による流速分布測定に、エミッショントリガを導入し、参照波と探索波の微妙な時間ずれを補正した図。
【図１０】本発明に係る超音波流速分布及び流量計による流体の流速分布を測定する連続パルス法、ダブルパルス法およびトライパルス法を従来のパルスドップラ法と比較して示すトリガ発振間隔の説明図。
【図１１】（Ａ）および（Ｂ）はトランスジューサからの超音波ビーム上におけるトレーサ粒子のパルスドップラ法とダブルパルス法における移動状態を説明する図。
【図１２】本発明に係る超音波流速分布及び流量計による流体配管内の平均速度分布とＬＤＶの平均速度分布を比較して説明する図。
【図１３】時間分解能を５００μｓとしたとき、本発明に係る超音波流速分布及び流量計の５時刻連続の瞬間速度分布を示す図。
【図１４】本発明に係る超音波流速分布及び流量計を用いて流体配管の管中央付近と壁近傍の一点における瞬間速度を示す図。
【符号の説明】
１０  超音波流速分布及び流量計
１１  パソコン
１２  トリガ発振ボード（トリガ発振手段）
１３，１６  コネクタケーブル（信号線）
１４  パルサーレシーバ
１５  ＡＤコンバータ
１７  トランスジューサ
１９  測定対象流体（被測定流体）
２０  流体配管
２０ａ  アクリル樹脂管
２２  メモリ
２３  信号処理手段
２４  流速分布算出手段
２５  流量算出手段
３０  トレーサ粒子（超音波反射体）
３１  超音波ビーム
【図１】
0003669580.tif 000009
【図２】
0003669580.tif 000010
【図３】
0003669580.tif 000011
【図４】
0003669580.tif 000012
【図５】
0003669580.tif 000013
【図６】
0003669580.tif 000014
【図７】
0003669580.tif 000015
【図８】
0003669580.tif 000016
【図９】
0003669580.tif 000017
【図１０】
0003669580.tif 000018
【図１１】
0003669580.tif 000019
【図１２】
0003669580.tif 000020
【図１３】
0003669580.tif 000021
【図１４】
0003669580.tif 000022