(57)【要約】【課題】高精度で、広い濁度の範囲にわたる流体についてその流速を測定できるドップラー超音波流速計を提供する。【解決手段】本発明の同一軸型ドップラー超音波流速計は、計測対象の流体が流れる管路( P ) の管軸に対して傾斜した取付け面を形成しながらこの管路の外部に固定される取付け台( W ) と、この取付け台に固定され流体内部に超音波を放射する送信用トランスジューサ( T ) と、取付け台に固定され流体内部から放射されるドップラーシフトを受けた超音波の反射波を受信する受信用トランスジューサ( R ) と、この受信用トランスジューサに受信された反射波のドップラーシフト量から流体の流速を演算する演算部とを備えている。そして、送信用と受信用のトランスジューサは、それぞれの送信軸と受信軸とを一致させて配置されると共に、超音波を連続的に送信し、連続的に受信する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測対象の流体が流れる管路の管軸に対して傾斜した取付け面を形成しながら前記管路の外部に固定される取付け台と、この取付け台の前記取付け面に固定されこの取付け台と前記管路とを通して前記流体内部に超音波を放射する送信用超音波トランスジューサと、前記取付け台の前記取付け面に固定され前記流体内部から放射されるドップラーシフトを受けた超音波の反射波を前記管路と前記取付け台とを通して受信する受信用超音波トランスジューサと、この受信用超音波トランスジューサに受信された超音波の反射波のドップラーシフト量から前記流体の流速を演算する演算部とを備えた超音波流量計において、
前記送信用超音波トランスジューサと前記受信用超音波トランスジューサとはそれぞれの送信軸と受信軸とを一致させて配置されたことと、
前記送信用超音波トランスジューサは超音波を連続的に送信し、前記受信用超音波トランスジューサは前記超音波の反射波を連続的に受信することと
を特徴とする同一軸型ドップラー超音波流速計。
【請求項２】
請求項１において、
前記送信用超音波トランスジューサと前記受信用超音波トランスジューサとは相互に積み重ねられて配置されたことを特徴とする同一軸型ドップラー超音波流速計。
【請求項３】
請求項１において、
前記送信用超音波トランスジューサと前記受信用超音波トランスジューサとは共用されることを特徴とする同一軸型ドップラー超音波流速計。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記同一軸型ドップラー流速計を前記管路を挟んで対向させて設置し、一方で送信したパルス状の超音波を他方で受信することにより超音波の伝播時間の差に基づき前記流体の流速を計測する手段を更に備えたことを特徴とする同一軸型ドップラー超音波流速計。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかにおいて、
前記取付け台に形成された前記管路の管軸に平行な第２の取付け面と、
この第２の取付け面に固定され前記管路に向けてパルス状の超音波を送信しその反射波を受信する第２の超音波トランスジューサと、
この第２のトランスジューサからの超音波の送信とその反射波の受信までの時間から前記演算部の演算に必要な前記取付け台の内部における超音波の伝播速度を計測する手段と  を更に備えたこととを特徴とする同一軸型ドップラー超音波流速計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の流速・流量を測定する超音波流速計に関するものであり、特に、ドップラーシフトを利用した超音波流速計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、流体の流速・流量を測定する装置として超音波流速計利用されてきた。この超音波流速計では、１対の超音波トランスジューサを互いに対向させてかつ管路に沿って離して設置し、その一方から管路内を流れる流体中に超音波を放射させ、流体中を伝播した超音波を他方の超音波センサで受信させる。そして、超音波の上流方向への伝播所要時間と下流方向への伝播所要時間との差から流体の流速・流量が測定される。
【０００３】
上述した伝播所要時間に基づくtime of flight方式の超音波センサでは、測定対象の流体中が気泡や汚濁物質などの粒子を多く含む場合には、流体中に放射した超音波が粒子などによる反射や散乱を受けて透過成分の受信レベルが低下するなど、測定に支障をきたす。このような大きな反射が生じる流体に対しては、ドップラーシフトを利用するドップラー方式が適している。このドップラー方式は、流体中で反射された超音波を受信しその周波数に生じたドップラーシフト量を検出することにより、反射を生じさせた粒子などの反射体の速度、すなわち、流体の流速を測定するものである。ドップラー方式の流速計としては、工業計測用のもの（特許文献１）や、血流速度を計測する医療用のもの（特許文献２，３，４）などが知られている。
【０００４】
ドップラー方式の流速計には、超音波をパルス状に放射するパルス・ドップラー方式と、超音波を連続的に放射する連続波ドップラー方式とがある。パルス・ドップラー方式では、高い空間分解能のため流体の流速分布が得られるという利点がある反面、極く短時間の信号から流速を検出するという原理から、ＳＮ比が低く多数回の反復による測定値の平均化が必要になるという欠点がある。これに対して、連続波ドップラー方式では、照射領域全体の情報が一度に取得できるという利点がある反面、高い空間分解能が得られないという欠点がある。両方式には、一長一短がある。
【０００５】
ドップラー方式の超音波流速計における超音波トランスジューサの配置の一例は、図８の断面図に示すようにものである。すなわち、送信専用の超音波トランスジューサＴｔと受信専用の超音波トランスジューサＴｒとが管路Ｐの両側に対向状態で楔型の取付け台Ｗを介して管路の外側に取付けられることにより、超音波の送信軸と受信軸とが管路Ｐの中心部分で交差せしめられる。送信専用の超音波トランスジューサＴｔから放射された超音波が取付け台Ｗと管路Ｐの管壁を通って流体中に放射され、流体中の気泡や粒子Ｓで反射される。この反射波の一部が受信専用の超音波トランスジューサＴｒに受信される。
【０００６】
ドップラー方式の超音波流速計における超音波トランスジューサの配置の他の一例は、図９の断面図に示すようなものである。すなわち、送信専用の超音波トランスジューサＴｔと受信専用の超音波トランスジューサＴｒとが管路Ｐの一方の側に楔型の取付け台Ｗを介して隣接させて管路の外側に取付けられることにより、超音波の送信軸と受信軸とが互いに平行になるように設定される。送信専用の超音波トランスジューサＴｔから放射された超音波が取付け台Ｗと管路Ｐの管壁を通って流体中に放射され、流体中の気泡や粒子Ｓで反射される。この反射波の一部は、受信専用の超音波トランスジューサＴｒに受信される。
【０００７】
【特許文献１】特開昭６０−２６２０１５号公報
【特許文献２】特開平１１−１３７５５４号公報
【特許文献３】特開２００２−１４３１６１号公報
【特許文献４】特開２００２−１４３１６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記図８の構成のドップラー方式の超音波流速計は、送信軸と受信軸とが流路の中心部分で交差するため、この流路の中心部分の流速が測定されたことが明確になるという利点がある。また、超音波の伝播経路が明確になるため計算も簡単になり精度も向上する。しかしこの構成では、流路を横切る超音波の長い伝播経路が形成されるため気泡や粒子による超音波の反射や散乱による伝播減衰量が大きくなる。このため、流体の濁度が大きくなると受信専用のトランスジューサに受信される信号レベルとそのＳＮ比が低下し、測定精度が低下したり、大きな濁度の流体では測定不能になるという欠点がある。
【０００９】
その点、図９の構成の超音波流速計では、流体中に形成される超音波の伝播経路が短いため、濁度の大きな流体の計測にも適用できるという利点がある。しかしながら、送信用トランスジューサから受信用トランスジューサまでの超音波の伝播経路が一通りでなく多岐にわたるため、計算も複雑になり、精度が低下するという問題がある。
【００１０】
さらに、図８と図９の構成に共通の欠点として、測定対象の流速の濁度が変化すると、濁度に適した図８または図９の配置を実現するために、送信用と受信用の超音波トランスジューサを配置替えしなければならないという欠点がある。また、共通の欠点として、澄んだ流体では反射波を発生させる気泡や粒子の濃度が減少して反射波の受信レベルが低下し、測定不能になるという欠点もある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記従来技術の課題を解決する本発明の同一軸型ドップラー超音波流速計は、受信用超音波トランスジューサと送信用超音波トランスジューサは、それぞれの送信軸と受信軸を一致させるように配列されており、上記送信用超音波トランスジューサは超音波を連続的に送信し、上記受信用超音波トランスジューサは反射波を連続的に受信するように構成されている。
【発明の効果】
【００１２】
超音波トランスジューサを送信軸と受信軸とが一致しているため、送信される超音波と受信される反射波の伝播経路が一致するとともに明確になる。この結果、計算が簡単になり、精度が向上する。また、濁度が変化してもトランスジューサを配置替えすることなく測定を行うことができる。さらに、連続波ドップラー方式としたため、パルス方式のように超音波トランスジューサに対する送信モードと受信のモード切り換えを行う必要がなくなり、簡易・安価な流速計を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の好適な実施の形態によれば、この同一軸型ドップラー流速計を管路を挟んで対向させて設置し、濁度の低い流体に対してはtime of flight方式で流速を計測するように構成されているため、濁度の大小にかかわらず全ての流体を対象にその流速を測定することができる。
【００１４】
本発明の他の好適な実施の形態によれば、取付け台内部の超音波の伝播速度を測定する第２の超音波トランスジューサを取付けて伝播速度を計測する構成であるから、温度に依存して変化する超音波の伝播速度の補正が可能になり、高精度の測定が実現される。
【実施例１】
【００１５】
図１は、本発明の一実施例の同一軸型ドップラー超音波流速計を構成する超音波トランスジューサと取付け台の構成を管路との関係と共に示す部分断面図である。すなわち、測定対象の流体が流れる管路Ｐの外側に、樹脂を素材とする楔型の取付け台Ｗが取付けられている。この取付け台Ｗには管路Ｐの管軸に対して傾斜した取付け面が形成され、この取付け面に円形の送信用超音波トランスジューサＴが取付けられている。さらに、この送信用超音波トランスジューサＴの上面に小型の円形の受信用超音波トランスジューサＲが取付けられている。
【００１６】
送信用超音波トランスジューサＴと受信用超音波トランスジューサＲとは、それぞれの送波面と受波面の中心に立てた法線（送信軸と受信軸）とを一致させた同一軸の形式となるように、積み重ねられている。また、取付け台Ｗには、管路Ｐの管軸に平行な取付け面も形成されており、この取付け面に送受共用の超音波トランスジューサＴＲが取付けられている。
【００１７】
送信用超音波トランスジューサＴは、図示しない送信部から供給される周波数１MHz の交流信号で励振され、超音波の連続波を放射する。この送信用超音波トランスジューサＴから放射された周波数１MHz 超音波は、取付け台Ｗと管路Ｐの管壁とを通して流体中に伝播する。この流体中を伝播する超音波の一部は、流体中の気泡や粒子Ｓで反射される。この反射波は、流体中を逆方向に伝播したのち管路Ｐの管壁と、取付け台Ｗと、送信用超音波トランスジューサＴとを通って受信用超音波トランスジューサＲに受信され、図示しない受信部に供給される。
【００１８】
図２は、受信用超音波トランスジューサＲが受信した反射超音波信号を処理する受信部の構成を示す機能ブロック図である。受信用超音波トランスジューサＲの内部では、送信用超音波トランスジューサＴから受ける１MHz の連続的な超音波の漏れ信号と、流体の内部で反射されてドップラーシフトを受けた反射信号とが重畳されて唸り成分を含む信号が生成される。                                                                          
【００１９】
漏れ信号の周波数をｆ0 、反射波の周波数をｆ1 とし、それぞれの振幅をＡとおくと、受信用超音波トランスジューサＲから出力される信号は、
Ａ sin２πｆ0 ＋Ａ sin２πｆ1 
＝２Ａ cosπ（ｆ0 −ｆ1 ）ｔ× sinπ（ｆ0 ＋ｆ1 ）ｔ      ・・・（１）
という唸り成分が得られる。この唸り成分の周波数（ｆ0 −ｆ1 ）からドップラーシフト周波数が得られる。
【００２０】
すなわち、上記唸り成分は広域通過フィルタ（ＨＰＦ）に供給され、整流回路（ＲＥＣ）で整流されたのち、低域通過フィルタ（ＬＰＦ）で低周波成分が抽出される。この低周波成分は増幅回路（ＡＭＰ）で増幅され、アナログ・ディジタル変換回路（ＡＤＣ）でディジタル信号に変換され、プロセッサ（ＰＲＣ）に供給される。プロセッサ（ＰＲＣ）は、このディジタル信号を処理することによりドップラーシフト量を算定し、これから流速を算定する。このようにして算定した流速に流路断面積Ａと補正計数ｋを乗算することにより流量Ｑが算定される。
【００２１】
図３は、上記プロセッサによる流速の算定の原理を説明するための概念図である。流体中の超音波の伝播速度をｃw 、取付け台の内部の超音波の伝播速度をｃs 、流体内部への入射角をθi 、屈折角をθr とする。さらに、超音波の送信周波数をｆt 、粒子によるドップラーシフト周波数をｆd 、流体流速の屈折角成分ｕd とおくと、
ｆd ＝ｆt （２ｕd ／ｃw ）              ・・・・・（２）
となる。
【００２２】
図３に示した幾何学的関係から、流体の流速の主流方向（管軸方向）の成分ｕt は、
ｕt ＝ｆd ｃw ／（２ｆt  sinθr ）      ・・・・・（３）
となる。ここで、スネルの法則により屈折角と液体中の超音波の速度の比は入射角と取付け台の内部の超音波の伝播速度の比に等しくなるので、
ｃw ／ sinθr ＝ｃs ／ sinθi           ・・・・・（４）
となる。
【００２３】
したがって、
ｕt ＝ｆd ｃs ／（２ｆt  sinθi ）      ・・・・・（５）
となり、流速中の超音波の伝播速度を考慮することなく流体の流速が算定できる。これは、ドップラーシフト方式の流速計測法の一つである。また、本発明においては送信軸と受信軸とを一致させた同一軸方式が採用されているため、（５）式中のθi が一種類に固定され、算定精度が向上する。ちなみに、図９に示した従来装置では、θi が多岐にわたり計算が複雑化すると共に精度も低下する。
【００２４】
（５）式から明らかなように、算定結果である流体の流速ｕt には、取付け台Ｗの内部における超音波の伝播速度ｃs が比例の形式で含まれてくる。すなわち、この超音波の伝播速度ｃs に含まれる誤差は、そのまま測定結果の誤差となる。したがって、この超音波の伝播速度ｃs をいかに精度良く検出するかが測定精度をを高めるための鍵となる。樹脂を素材とする取付け台の内部の伝播速度は温度によって変化する。そこで、基準温度のもとで伝播速度を計測しておき、取付け台に設置した温度センサで基準温度との温度差を検出し、この温度差を用いて超音波の伝播速度を補正するという方法も採用できる。
【００２５】
しかしながら、本実施例においては、取付け台Ｗに管路の管軸に平行な取付け面が形成され、この取付け面に送受共用超音波トランスジューサＴＲが取付けられる。この超音波トランスジューサＴＲから送信されたパルス状の超音波は、取付け台Ｗの内部を伝播したのち管路Ｐの管壁で反射され、取付け台Ｗの内部を逆向きに伝播して戻り、送受共用の超音波トランスジューサＴＲに受信される。この送信から反射波の受信までに要した時間から取付け台の内部における超音波の伝播速度ｃs が検出され、（５）式に代入される。
【００２６】
本発明者の実験結果によれば、取付け台Ｗの温度が26.5°Ｃと42.3°Ｃのとき、伝播速度はそれぞれ毎秒2500メートルと2331メートルであった。このように、取付け台Ｗの内部における超音波の伝播速度ｃs を実測し、この実測値を（５）式のｃs に代入する。このような方法を採用することにより、これを採用しない場合に測定結果に取り込まれる温度変化量１°Ｃあたり0.4 ％ずつの誤差が完全に除去された。
【００２７】
図４〜図６は、上記実施例の流速計で得られた実験データと、図８と図９に示した従来の流量計で得られた実験データを示している。各図には、実測値と循環式基準流量発生装置を利用して発生させた既知の流量とを比較した結果が図示されている。各図において、横軸は既知の基準流量、縦軸は実測データである。図４に示すように、上述した本発明の実施例の装置で得られた実験データは４５°の直線で示す理論値と良く一致している。最も精度が低いのは、送信軸と受信軸がずれている装置（図９）で得られた図６の実験結果であり、送信軸と受信軸が管路の中心部分で交差する装置（図８）で得られた図５の実験結果は、図９の装置よりも良いが上記実施例の装置ほどでもない。
【実施例２】
【００２８】
図７は本発明の第２の実施例の構成を示す部分断面図である。この実施例では、２個の取付け台Ｗ１，Ｗ２が管路Ｐを挟んで対向して設置されている。一方の取付け台Ｗ１の上には送受共用の第１，第２の超音波トランスジューサＴＲ１１，ＴＲ２１が取付けられている。他方の取付け台Ｗ２の上には送受共用の第１，第２の超音波トランスジューサＴＲ２１，ＴＲ２２が取付けられている。この実施例では、送信用と受信用の超音波トランスジューサを積み重ねることで同一軸の形式する代わりに、送受共用の超音波トランスジューサＴＲ１１やＴＲ２１を使用することによって送信軸と受信軸とを一致させる同一軸の形式を実現している。
【００２９】
計測対象の流体の濁度が大きいため十分なレベルの反射波が得られる状態では、各取付け台Ｗ１，Ｗ２上に固定された送受共用の超音波トランスジューサＴＲ１１とＴＲ２１の一方または双方を使用して図１で説明したとまったく同様のドップラーシフト周波数の検出に基づく流速の測定が行われる。このとき、送受共用の超音波トランスジューサＴＲ１２やＴＲ２２を使用して取付けの内部の超音波の伝播速度が検出され、（５）式に代入される。
【００３０】
これに対して、計測対象の流体の濁度が小さいため十分なレベルの反射波が得られない状態では、管路Ｐを挟んで対向して設置されている２個の送受共用の超音波トランスジューサＴＲ１１とＴＲ２１とを使用してtime of flight方式の流速の計測が行われる。すなわち、一方の超音波トランスジューサＴＲ１１から放射されたパルス状の超音波が他方の超音波トランスジューサＴＲ２１に受信されるまでの時間と、これとは逆に、他方の超音波トランスジューサＴ２１から放射されたパルス状の超音波が一方の超音波トランスジューサＴ１１に受信されるまでの時間とが検出され、これらの時間差に基づいて流体の流速が計測される。
【００３１】
以上、図７の第２の実施例で、取付け台の内部の超音波の伝播速度を検出するために、どちらの取付け台にも送受共用の超音波トランスジューサＴＲ１２とＴＲ２２とを取付ける構成を例示した。しかしながら、これらのうちいずれか一方を除去することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の第１の実施例の同一軸型ドップラー超音波流速計を構成する超音波トランスジューサと、取付け台の構成を管路との関係と共に示す部分断面図である。
【図２】図１の受信用超音波トランスジューサＲが受信した超音波信号を処理する受信回路の構成を示す機能ブロック図である。
【図３】図１のプロセッサによる流速の算定の原理を説明するための概念図である。
【図４】上記第１の実施例の流速計で得られた実測値を示す実験データである。
【図５】図８に示す構成の流速計で得られた実測値を示す実験データである。
【図６】図９に示す構成の流速計で得られた実測値を示す実験データである。
【図７】本発明の第２の実施例の同一軸型ドップラー超音波流速計を構成する超音波トランスジューサと、取付け台の構成を管路との関係と共に示す部分断面図である。
【図８】従来のドップラー超音波流速計を構成する超音波トランスジューサと、取付け台の構成の一例を管路との関係と共に示す部分断面図である。
【図９】従来のドップラー超音波流速計を構成する超音波トランスジューサと、取付け台の構成の他の一例を管路との関係と共に示す部分断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
P       計測対象の流体が流れる管路
W,W1,W2 楔型の取付け台
T       送信用超音波トランスジューサ
R       受信用超音波トランスジューサ
TR      送受共用の超音波トランスジューサ
TR11〜TR22  送受共用の超音波トランスジューサ
S       反射波を生じさせる流体中の泡や粒子
HPF     高域通過フィルタ
REC     整流回路
LPF     低域通過フィルタ
AMP     増幅回路
ADC     アナログ・ディジタル変換回路
PRC     ディジタル・プロセッサ
【図１】
2006078362.tif 000003
【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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【図９】
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