(57)【要約】【課題】  偏流の発生に応じて自動で測定を開始し、最速部の速度を求め、誤差を最小限に抑えた流量を求めることができる超音波流量計を提供する。【解決手段】  配管６の円周方向に移動しながら、複数の部位にて流速を測定するセンサー部１と、前記センサー部１による測定結果に基づいて流速の最速部を特定し、前記センサー部１を最速部に移動させる変換器２とを有する超音波流量計。【選択図】      図１
2011058883.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
配管の円周方向に移動しながら、複数の部位にて流速を測定するセンサー部と、
前記センサー部による測定結果に基づいて流速の最速部を特定し、前記センサー部を最速部に移動させる変換器と
を有する超音波流量計。
【請求項２】
前記変換器は、配管に設置された配管制御部の運転状況の変化をきっかけに、前記センサー部による測定を開始させ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】
前記センサー部は、１８０°／ｎ（ｎは整数）ずつ円周方向に移動しながら流速を測定す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】
前記センサー部は駆動装置を備え、配管の円周方向に設置されたレール上を移動す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】
前記変換器は前記センサー部と前記変化器とを接続するケーブルの巻取りリールを備え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６】
配管の管軸方向に沿う上流側および下流側で管軸中心に対して対称になるように、配管の外周に沿って移動可能に支持され、超音波を送受信する一対のセンサー部と、
前記一対のセンサー部を管軸中心に対する対称を保持しつつ配管の外周に沿って同期して移動させる駆動部と、
前記一対のセンサー部を配管の外周に沿って一定角度だけ円周方向に移動させて前記配管内の流体の流速を検出する複数回の操作を行って流速の最速部が得られる位置を特定し、前記駆動部により前記一対のセンサー部を流速の最速部が得られる位置に移動させる変換器と
を有する超音波流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波の伝搬時間を利用して配管内の流量を計測する超音波流量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
上下水道およびプラント等において、配管内を流れる液体や気体の流量を測定する装置の１つとして、超音波流量計が知られている。超音波流量計は、配管表面の上流側および下流側のそれぞれに少なくとも１つずつ設置されるセンサーを備える。これらのセンサー間で超音波を送受信し、超音波の上流方向への伝搬に要した時間と下流方向への伝搬に要した時間との差から、配管内を流れる液体等の流速を求め、この流速に基づいて流量を算出する。
【０００３】
配管内では、必ずしも流速が一様であるとは限らず、例えば配管の上流に曲がりがある場合、配管軸に直交する断面において流速の大きい部分と小さい部分とができる、偏流と呼ばれる流れの状態が生じる。偏流が生じている場合に、超音波流量計によって流速の大きい部分または小さい部分を測定し、それに基づいて流量を算出すると、実際の流量との間で誤差が生じる。
【０００４】
従来、十分な直管長が確保できない場合でも、偏流に対応できる流量計が開発されている。特許文献１には、一対の可聴域音波送受波器を、ガス配管の上流側および下流側に、管軸に対して互いに正反対の方位に、管軸に沿って互いに間隔をあけた相対的位置関係で配置し、相対的位置関係を保持しつつガス配管の外周上を円周方向に移動可能にした音波式ガス流量計測装置が記載されている。このガス流量計測装置は、多数の測線で流速データを採取し、流速分布の偏りの影響をキャンセルした精度良い流量計測値を得ようとするものである。また、特許文献２には、配管に複数のセンサーを設置して、複数のセンサー対間の測定を可能とすることで、偏流による測定値のばらつきを低減しようとする超音波流量計が記載されている。
【０００５】
偏流は、配管の曲がりに起因する場合のみならず、測定部位の上流または下流に位置するポンプや弁といった配管制御部の変化によって生じる場合がある。この場合、配管制御部の運転状態に応じて、偏流の状態が変化することが予想される。そのため、正確な流量を測定するには、配管制御部に変化が生じるたびに速度を測定し直す必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−１３９３５７号公報
【特許文献２】特開２００５−１６４５７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、偏流の発生に応じて自動で測定を開始し、簡便に最速部の速度を求めることができ、かつ誤差を最小限に抑えた流量を求めることができる超音波流量計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、配管の円周方向に移動しながら、複数の部位にて流速を測定するセンサー部と、前記センサー部による測定結果に基づいて流速の最速部を特定し、前記センサー部を最速部に移動させる変換器とを有する超音波流量計が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の超音波流量計によれば、偏流の発生に応じて自動で測定を開始し、簡便に最速部の速度を求めることができ、かつ誤差を最小限に抑えた流量を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る超音波流量計の一例を示す模式図。
【図２】本発明に係る超音波流量計の変換器のブロック図。
【図３】移動角度と流速との関係を示すグラフ。
【図４】配管内の流速分布を示す配管断面図。
【図５】配管側面方向から見た配管とセンサー部との関係を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
【００１２】
図１は、本発明の一実施形態に係る超音波流量計を示す模式図である。この超音波流量計は、一対のセンサー部１Ａ、１Ｂと変換器２とを含む。センサー部１Ａ、１Ｂと変換器２とは、ケーブル３によって接続されている。センサー部１Ａ、１Ｂはそれぞれ、配管６の外周に沿って設置された２本のレール４上に移動可能に支持されている。変換器２はケーブル巻取りリール５を備えており、ケーブル３の一部を巻き取るようになっている。
【００１３】
対をなすセンサー部１Ａ、１Ｂは、管軸方向の上流側と下流側に互いに間隔をあけて、配管６の管軸を中心として対称的な位置に設置される。個々のセンサー部１Ａ、１Ｂは、超音波の送受信部を有する。センサー部１Ａ、１Ｂは、駆動装置（図示せず）によってレール４上を円周方向に移動できるようになっている。対をなす個々のセンサー部１Ａ、１Ｂは同期して移動し、管軸を中心として対称的な位置関係を維持する。
【００１４】
変換器２は、センサー部１Ａ、１Ｂにより検出されたデータの取得、取得したデータの演算および演算結果に基づいたセンサー部１Ａ、１Ｂの移動のための信号の出力等、本発明の超音波流量計の全体的な制御を担う。
【００１５】
図２は、変換器２を示すブロック図である。図２に示されるように、変換器２は、センサー部１Ａ、１Ｂからのデータを変換するＡ／Ｄ変換器２０１、Ａ／Ｄ変換器２０１で変換されたデータ等を蓄積するメモリー２０２、取得したデータを演算するＣＰＵ２０３およびＣＰＵ２０３からの信号に基づいてセンサー部１Ａ、１Ｂの駆動装置に対して回転運動の信号を出力する回転角制御回路２０４を具備する。また、任意に、測定結果の表示のための表示部２０５、ポンプや弁等の配管の配管制御部の運転状況を検知する監視制御装置２０６、および、測定条件等を入力するためのインターフェースなど、その他の要素を具備することができる。
【００１６】
次に、図２を用いて、本発明の超音波流量計による測定を説明する。測定は、センサー部１Ａ、１Ｂの上流または下流に位置するポンプまたは弁といった配管制御部の運転状況の変化を監視制御部２０６が検知したことをきっかけに開始される。この運転状況の変化とは、例えば、ポンプの運転の開始もしくは停止または回転数の変動、あるいは、弁の開閉または開度の変化をいう。
【００１７】
測定開始の信号を受信したＣＰＵ２０３は、回転角制御回路２０４に対して、センサー部１Ａ、１Ｂを一定角度ずつ移動させ、且つ、一定角度の移動を終えるたびに流速を測定させる信号を出力する。このときの一定角度とは１８０°／ｎ（ｎは任意の整数）であり、ｎは精度と測定時間を考慮して予め設定される。ｎをより大きな値に設定すると、センサー部１Ａ、１Ｂはより小さな角度ずつ移動するので、流速の測線数を増やすことができる。
【００１８】
センサー部１Ａ、１Ｂにより０〜１８０°の範囲で検出された流速の情報は、アナログ信号としてＡ／Ｄ変換器２０１に送信される。流速の情報を受信したＡ／Ｄ変換器２０１は、その信号をＡ／Ｄ変換した後、メモリー２０２へと送信する。メモリー２０２は、ｎに応じた複数の測定結果を蓄積していく。
【００１９】
一連の測定を完了した後、ＣＰＵ２０３はメモリー２０２に蓄積された測定結果に基づいて、図３に示されるような移動角度と流速との関係が得られる。図３は、ｎ＝６に設定したときの結果を示す。図４は、配管６内の流速分布を模式的に表したものであり、同一の流速を有する領域を同じ濃度で表現し、流速の大きい領域ほど濃度が濃い。例えば、図４ａのように配管６内で流速が一様な場合、どの角度から測定しても同一の流速値が得られる結果、図３ａのように角度に依存せず流速は一定の値を有した水平な直線となる。一方、図４ｂに配管６内が偏流となっている場合の流速分布を模式的に示す。図４ｂでは、最も流速の大きな領域が管軸からずれ、管の周辺域に偏っている。この場合の移動角度と流速との関係は、例えば図３ｂのようになる。この図のように、偏流の場合に実測値に基づいて作成される流速は、移動角度に応じて段階状に変化する。この実測値による流速変化を、曲線状の流速変化に近似すると図３ｃのようになる。図３のような流速変化は、適宜、表示部２０５に表示される。操作者は、表示された流速分布図に基づいてｎを調節することもできる。
【００２０】
次に、ＣＰＵ２０３は、測定結果に基づいて、最大の流速が得られる角度を決定し、その角度の情報を回転角制御回路２０４へと送信する。この情報に基づいて回転角制御回路２０４は、センサー部１Ａ、１Ｂを目的の角度に移動させ、その位置で測定を行わせる。配管制御部の運転状況が再び変化しない限り、センサー部１Ａ、１Ｂを移動させる必要はない。センサー部１Ａ、１Ｂは、その位置で流速を測定し、測定結果をＡ／Ｄ変換器２０１を介してメモリー２０２へと送信する。ＣＰＵ２０３は、この測定結果を表示部２０５に表示させる。
【００２１】
配管制御部の運転状況が再び変化したときには、上述した一連の測定を再開するが、その際には移動方向を前回の測定と逆転させる。このようにすれば、センサー部１Ａ、１Ｂの回転移動に伴ってケーブル３が絡まるのを防止できる。
【００２２】
最大流速値のほかに、流速分布図に基づいて流量も算出される。ＣＰＵ２０３は、ｎに応じて複数回測定された一連の結果に基づき、平均流速を算出する。この平均流量に配管の断面積を乗じることで、一定時間に配管を流れる流量が求められる。この算出された流量も、表示部２０５に表示される。
【００２３】
次に、流速および流量の算出の詳細を説明する。
【００２４】
図５は、配管軸に対して側面方向から見た配管６とセンサー部１Ａ、１Ｂとの関係を示す断面図である。図５中、配管６の上流側にセンサー部１Ａが位置し、下流側にセンサー部１Ｂが位置している。ここで、配管６の直径をＤとする。センサー部１Ａ、１Ｂは、その相対的位置を維持しながら配管６の円周方向に回転するため、センサー部１Ａ、１Ｂの間の距離、すなわち測線７の長さＬは一定であり、測線７と配管６とが形成する鋭角φも一定である。また、測線７を進む超音波の速度をＣ、測定すべき流れ９の速度をＶとする。
【００２５】
まず、センサー部１Ａ、１Ｂ間で超音波が送受信され、１Ａから１Ｂへの伝搬に要した時間Ｔａｂおよび１Ｂから１Ａへの伝搬に要した時間Ｔｂａがそれぞれ測定される。ここで、１Ａから１Ｂへの伝搬は、流れ９に後押しされて進むのに対し、１Ｂから１Ａへの伝搬は、流れ９の抵抗を受けて進む。その結果、超音波の伝搬速度がそれぞれ変化する。その点を考慮すると、ＴａｂおよびＴｂａは、それぞれ以下の式（ｉ）および（ｉｉ）の通り表される。
【数１】
2011058883.tif 000003
【００２６】
上記式（ｉ）および（ｉｉ）から、Ｃを消去しつつＶを求めると次式（ｉｉｉ）が得られる。
【数２】
2011058883.tif 000004
【００２７】
式（ｉｉｉ）から、Ｌおよびφは一定値であるため、超音波がセンサー部１Ａ、１Ｂ間を進む際に要する時間に基づいて、流れ９の速度が求められることが理解できる。
【００２８】
流量は、ｎの値に基づいて複数回測定された流速Ｖから、平均流速を求め、それに断面積を乗じることで求められる。
【００２９】
本発明の超音波流量計によって、配管に偏流が生じた場合でも、最速部の流速を簡便に求めることができ、且つ、流量を正確に求めることができる。ポンプや弁といった配管制御部の状況の変化をきっかけに、自動で測定が開始され、最速部の流速および流量を把握できる。
【００３０】
本発明の超音波流量計は、例えば、上下水道の配管、化学プラントの配管、食品プラントの配管等を測定の対象とすることができる。配管内部を流れる物質は、水、溶液といった液体、または、燃料ガスといった気体とすることができる。一定の均一性が維持されれば固形物を含んだ液体が流れる配管にも適用できる。適用可能な配管の材質としては、金属やポリマー等、特に制限はない。
【符号の説明】
【００３１】
１Ａ、１Ｂ…センサー部、２…変換器、３…ケーブル、４…レール、５…ケーブル巻き取りリール、６…配管、７…測線、９…流れ、２０１…Ａ／Ｄ変換器、２０２…メモリー、２０３…ＣＰＵ、２０４…回転角制御回路、２０５…表示部、２０６…監視制御装置。
【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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