(57)【要約】【課題】非共鳴条件を実際の送信周波数を変化させて得られた波形から判断して求める事により、精度が高く安定した流速測定が可能な超音波流量計を実現する。【解決手段】測定管に設けられた超音波送受信器を具備する超音波流速・流量測定装置において、  周波数可変超音波送信器と、この周波数可変超音波送信器の近傍若しくは一体に設けられ前記周波数可変超音波送信器から送信された超音波が配管の板厚を伝播した超音波を受信する板厚伝播超音波受信器と、初期設定値の周波数で発振され配管壁を伝播した後に受信されたバーストまたはパルス状の超音波を、時間領域に少なくとも３分割する波形分割手段と、を具備したことを特徴とする超音波流量計。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定管に設けられた超音波送受信器を具備する超音波流速・流量測定装置において、
周波数可変超音波送信器と、この周波数可変超音波送信器の近傍若しくは一体に設けられ前記周波数可変超音波送信器から送信された超音波が配管の板厚を伝播した超音波を受信する板厚伝播超音波受信器と、初期設定値の周波数で発振され配管壁を伝播した後に受信されたバーストまたはパルス状の超音波を、時間領域に少なくとも３分割する波形分割手段と、を具備したことを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】
測定管に設けられた超音波送受信器を具備する超音波流速・流量測定装置において、
周波数可変超音波送信器と、この周波数可変超音波送信器の近傍若しくは一体に設けられ前記周波数可変超音波送信器から送信された超音波が配管の板厚を伝播した超音波を受信する板厚伝播超音波受信器と、初期設定値の周波数で発振され配管壁を伝播した後に受信されたバーストまたはパルス状の超音波を、時間領域に少なくとも３分割する波形分割手段と、を備え、
１）前記波形分割手段は周波数可変超音波送信器から出射され配管の板厚を伝播した超音波を受信し前記波形分割手段で少なくとも３分割された領域のそれぞれの領域の振幅を計算する手段を持ち、その振幅の比が予め規定された値となるように発振周波数を変更させる工程と、
２）前記のｎ回目の反射波の振幅Ａｎとｎ＋１回目の反射波の振幅Ａｎ＋１、ｎ＋２回目の反射波の振幅Ａｎ＋２の大きさの比が極大または極小となるよう発振周波数を変更する工程と、
３）前記１)または２)の工程により決定された周波数により流速を測定する工程を含む事を特徴とする超音波流量計の流速測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、管体に伝播する超音波の伝播速度と共に流体の流量を測定する超音波を用いた流量計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超音波を用いて流量を測定する超音波流量計が知られている。超音波流量計で最も広く使用されている原理は伝播時間差法であり、この伝播時間差法は流体の測定流速Ｖを、流体中の超音波の伝播速度の変化、即ち伝播時間差Δｔとして計測し、既知の流水断面積Ｓと乗算することにより流量Ｑを測定する。
【０００３】
図４（ａ）は一般的な超音波流量計の構成を示す図である。図において、１は測定流体ＦＬが流れる測定管、２は測定管１に設けられた超音波送信器、３は、測定管１に設けられた超音波受信器である。
４は、測定管１と超音波送信器２との間に設けられた超音波伝播材、５は、測定管１と超音波受信器３との間に設けられた超音波伝播材である。
【０００４】
上述の構成において、超音波送信器２から送信された超音波は、超音波伝播材４、測定管１を経て、対向して設置された超音波伝播材５を介して超音波受信器３へと伝搬する。
この場合、送信された超音波の一部は、音響インピーダンスの関係で測定管１と測定流体ＦＬの境目で多重反射が生じ、その多重反射波も同様に超音波受信器３へと伝搬する。
【０００５】
図４（ａ）において、受信器３に伝搬した超音波ａ（正規波という）のみにより流速を測定すると、理想的な屈折角度から流速を計算することができる。
このときの屈折角をθとすると、流速Ｖの超音波パス方向成分は、Ｖ×sinθで求められる。
【０００６】
一方、多重反射を起こした超音波ｂが、超音波受信器３へ到達する際の液体への入射角度は正規波の入射角より小さくなるため、図４（ｂ）に示すように、結果的に多重反射波により流速を測定すると、入射角θが正規波に比べ小さいことから、この多重反射波により測定された流速は正規波に比べ低く見積もられることになる。
【０００７】
これらの受信波は図４（ｃ）に示すように観測されるが、相関法を用いてこの両方の波の相関から流速を求めると、図４（ｂ）に示すように正規波と多重反射波の重ね合わせの誤差（マイナス誤差）Ｅが生じることになる。
【０００８】
このような誤差は、正規波と多重波が完全に時間軸上で分離可能であれば、サンプリングウィンドウを正規波のみに制限することで可能になるが、正規波と多重波が重なっていた場合、時間軸上ではじめに到達した波のみを検出するというような分離は困難になる。
測定流速は超音波パルスの流体中の伝播時間差Δｔに比例し求められることから、平均流速をυ、測定流速Ｖと伝播時間差Δｔとの比例係数をｋｔとすると、流量Ｑは次式で表すことができる。
Ｑ＝υ・Ｓ＝（Ｖ／ｋ）・Ｓ
＝（ｋｔ・Δｔ／ｋ）・Ｓ
【０００９】
このような原理による超音波を送受信するための超音波送受波器の取付方法には、超音波パルスを測定管内面で一旦反射させるＶ法、超音波パルスを一直径上で透過させるＺ法などがある。
【００１０】
図５（ａ）の粒子や気泡からの反射信号を受信し、その受信した信号をもとに流速分布を求める超音波流量計において、測定管１内を伝播する正規波ａにより検出される流速分布Ａおよび多重波ｂにより検出される流速分布Ｂを示し、図５（ｂ）は正規波と多重波で合成される流速分布を示す図であり、本来検出されるべき正規波のみの流速分布とは誤差を生じる状態を示している。
【００１１】
このように、配管の材料内部の多重反射があると、精度に問題が生じる。たとえば、透過法による測定では受信波形の伝播経路がずれ、測定値に誤差を生じさせたり、多重波を正規波（検出すべき波）と誤判断し大きな誤差を生じさせる。
また、反射法においても同様の現象により、正規波により観測された流速プロファイルに多重波により観測された流速プロファイルが重畳し誤った流速プロファイルを形成してしまう。
【００１２】
以上の内容から、配管の内部で極力多重波を発生させないようにする必要がある。この多重波は、超音波の周波数が配管の材質の音速と板厚と超音波の入射角からなる共鳴条件を満たす場合に大きくなることがわかっている。したがって、共鳴条件を避けるためには超音波の送信周波数を変えて、非共鳴条件とすることが望ましい。
この、非共鳴条件を得るには配管の音速と板厚の情報を元に共鳴周波数を計算する事が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００６−２２０５３４号公報
【特許文献２】特開２００６−２５０６６６号公報
【特許文献３】特開平２−２６０５３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
非共鳴周波数を求めるには、板厚と音速を知る必要がある。厚さは一般的には超音波厚さ計を用いるが、この場合の音速は一般的にはデータベース化されている音速（固定値）を用いる。実際には音速は製法や微妙な材質の違い、温度によって配管により異なり、一般的に知られている音速とは違いがあるという課題がある。
【００１５】
そのため正確な非共鳴条件を得ることは難しく誤った設定を行ってしまう場合がある。
また、音速が未知の（データベースに存在しない）材質については対応できないという課題があった。
従って本発明は、非共鳴条件を実際の送信周波数を変化させて得られた波形から判断して求める事により、精度が高く安定した流速測定が可能な超音波流量計を実現することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
測定管に設けられた超音波送受信器を具備する超音波流速・流量測定装置において、
周波数可変超音波送信器と、この周波数可変超音波送信器の近傍若しくは一体に設けられ前記周波数可変超音波送信器から送信された超音波が配管の板厚を伝播した超音波を受信する板厚伝播超音波受信器と、初期設定値の周波数で発振され配管壁を伝播した後に受信されたバーストまたはパルス状の超音波を、時間領域に少なくとも３分割する波形分割手段と、を具備したことを特徴とする。
【００１７】
請求項２の発明は、
測定管に設けられた超音波送受信器を具備する超音波流速・流量測定装置において、
周波数可変超音波送信器と、この周波数可変超音波送信器の近傍若しくは一体に設けられ前記周波数可変超音波送信器から送信された超音波が配管の板厚を伝播した超音波を受信する板厚伝播超音波受信器と、初期設定値の周波数で発振され配管壁を伝播した後に受信されたバーストまたはパルス状の超音波を、時間領域に少なくとも３分割する波形分割手段と、を備え、
１）前記波形分割手段は周波数可変超音波送信器から出射され配管の板厚を伝播した超音波を受信し前記波形分割手段で少なくとも３分割された領域のそれぞれの領域の振幅を計算する手段を持ち、その振幅の比が予め規定された値となるように発振周波数を変更させる工程と、
２）前記のｎ回目の反射波の振幅Ａｎとｎ＋１回目の反射波の振幅Ａｎ＋１、ｎ＋２回目の反射波の振幅Ａｎ＋２の大きさの比が極大または極小となるよう発振周波数を変更する工程と、
３）前記１)または２)の工程により決定された周波数により流速を測定する工程を含む事を特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の請求項１，２によれば以下のような効果がある。
非共鳴条件を実際の送信周波数を変化させて得られた波形から判断して求めることができるので、精度が高く安定した流速測定が可能な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】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態の一例を示す要部断面構成図およびフローチャートである。
【図２】共鳴周波数および非共鳴周波数における時間と振幅の関係を示す説明図である。
【図３】他の実施例を示す構成図である。
【図４】従来例を示した超音波流量計の構成図および動作原理図である。
【図５】共鳴条件と非共鳴条件における真の流速分布プロファイルとの比較を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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す超音波流量計の構成図（ａ）およびフローチャート（ｂ）である。
【００２１】
図１（ａ）において、２は測定管１の外周に固定され、発振素子（図示せず）からの超音波を超音波伝播材７ａを介して測定管１内を流れる流体に対して発信する周波数可変超音波送信器である。この周波数可変超音波送信器から出射された超音波は図では省略するが、下流側に対向して設置された超音波受信器へと伝搬する。なお、反射型の場合は周波数可変超音波送信器の替わりに周波数可変超音波送受信器が用いられ、その場合は超音波受信器は不要である。
【００２２】
６は板厚を伝播した超音波のみを受信することの出来る角度で設けた受信用の板厚伝播超音波受信器である。
超音波送信器２はＱが低く、周波数を変えることのできる発振回路（図示省略）と組み合わされて、特定の範囲で周波数を変えて発振できる。送信波形は数発程度のバースト波とし、ある程度時間的に干渉できる幅を持つ（例えば１ＭＨｚで３〜５バースト程度の波を発振する）。
【００２３】
板厚伝播超音波受信器の超音波伝播材７ｂは、配管の板厚を伝搬してきた振動を受信素子（図示せず）に伝達する。受信された信号は、図示しない時間分割手段によりあらかじめ概算値として入力された配管の材質の音速と板厚と入射角を元に、時間領域に３分割される。
【００２４】
図１（ｂ）は超音波送信器２から出射した超音波が測定管１の板厚で多重反射した周波数を板厚伝播超音波受信器６で受信し非共鳴周波数を決定するためのフローチャートである。
フローに従って説明する。
【００２５】
発信回路（Ｓ１）で生成された超音波が発信素子（Ｓ２）を介して測定管（Ｓ３）に入射する。
ここでは測定管の板厚を伝播した多重波を板厚伝播超音波受信器の受信素子（Ｓ４）で受信し、受信回路（Ｓ５）を介してＡＤ（Ｓ６）変換し、予め配管パラメータと入射角により計算された時間幅でこれを分割し、それぞれの領域での振幅を振幅測定手段により求め、分割手段により予め求めた配管パラメータを用いて波形領域分割（Ｓ７）し、その結果を振幅判定プログラム（Ｓ８）で非共鳴周波数が発信されているか否かを判定する。
【００２６】
分割した３つの領域のすべてで振幅が大きい場合は共鳴周波数で、例えばＮＯ．２が小さい場合は１度多重反射を起こしたときの位相がＮＯ．１の波(直接波)と逆になり打ち消し合うために小さくなるので、この状態を非共鳴周波数と反転する非共鳴周波数と判定する。
【００２７】
図２（ａ，ｂ）は共鳴周波数および非共鳴周波数における時間と振幅の関係を示す説明図である。図２（ａ）において、波形分割手段により３分割された領域をそれぞれ、ｎ回目の反射波として考えられる領域Ａｎ、ｎ＋１回目の反射波として考えられる領域Ａｎ＋１、ｎ＋２回目の反射波として考えられる領域Ａｎ＋２と名付け、それぞれの領域でのエンベロープから振幅をデジタル処理により求める。
【００２８】
ここで、時間分割幅（ｔｗ）は図１に示すように、配管板厚を（ｔ）、配管への入射角を（θｓ）、配管での屈折角を（θｐ）配管の音速を（Ｖｐ）とすると、
ｔｗ＝２ｔ／ｃｏｓθｐ／Ｖｐ
を基にした値とする。
【００２９】
振幅が求められたら、周波数を変更し同様の手法により振幅を求める。これをある周波数範囲で繰り返し行う。
次に図２（ｂ）に示すように領域された振幅を見て、非共鳴条件では振幅が干渉により一部が極端に小さくなる周波数を共鳴条件を有する周波数と特定する。このことから非共鳴条件を振幅の変化としてとらえることができる。また、分割されたすべての領域での振幅が大きい場合は、共鳴条件となるから、ｍ次の(ｍは整数)共鳴条件とｍ＋１次の共鳴条件を判定し、その中間の周波数を非共鳴条件とすることも可能である。
【００３０】
上述によれば、音速がはっきりわからなくても非共鳴条件を知ることが出来る。また、超音波板厚計では一般的に、短パルスを送受信して時間を測定するため、超音波流量計で使用する周波数より高い周波数の送受信素子と回路が必要であり、かつ板厚の厚い配管でしか精度良く測定することが困難だが、ここでは干渉を用いるため波長が長くてよく、超音波流量計で用いる程度の周波数で良い。
なお、本発明に使用する板厚伝播超音波受信器６は従来の超音波流量計に簡単に付加することができる。
【００３１】
図３（ａ，ｂ）は板厚伝播超音波受信器の他の実施例を示すものである。図３（ａ）に示すものは一つの超音波伝播材４ａに超音波送信器２および板厚伝播超音波受信器６を取付けたもの、図３（ｂ）に示すものは一つの超音波伝播材４ｂに超音波送信器および板厚伝播超音波受信器２ａを取付けたものである。
【００３２】
即ち、反射角度を工夫することで１個の超音波伝播材（送受信素子）でも多重反射を受信することが出来る。要は配管の板厚を伝播する複数の多重反射波を計測することができればよい。
なお、本発明では非共鳴周波数を求める場合について説明したが、たとえば精度を犠牲にしても感度を上げるというケースのために信号強度を上げるため共鳴周波数（多重干渉領域では振幅が大きくなる）を求めても良い。
【００３３】
なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。
従って本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形を含むものである。
【符号の説明】
【００３４】
１        測定管
２        超音波送信器
３        超音波受信器
４，５，７  超音波伝播材
６        板厚伝播超音波受信器
【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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