(57)【要約】【課題】管路へのトランスデューサの設置が容易であり、且つ反射相関法によって流速および流量を正確に測定することが可能な超音波流量計を提供することを目的とする。【解決手段】本発明にかかる超音波流量計１００の構成は、管路１０２内を流れる流体に超音波を入射し、超音波が流体に含まれる反射体１０４に反射した反射波を受信することにより流体の流量を測定する超音波流量計であって、管路に対して垂直に配置され、超音波を発振する送信側トランスデューサ１１２と、送信側トランスデューサの上流側または下流側において管路に対して垂直に配置され、反射波を受信する受信側トランスデューサ１１４ａ・１１４ｂと、を含むことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
管路内を流れる流体に超音波を入射し、該超音波が該流体に含まれる反射体に反射した反射波を受信することにより該流体の流量を測定する超音波流量計であって、
前記管路に対して垂直に配置され、前記超音波を発振する送信側トランスデューサと、
前記送信側トランスデューサの上流側または下流側において前記管路に対して垂直に配置され、前記反射波を受信する受信側トランスデューサと、
を含むことを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】
前記受信側トランスデューサは、前記送信側トランスデューサの上流側または下流側に該送信側トランスデューサから異なる距離に複数配置され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】
当該超音波流量計は、前記送信側トランスデューサおよび前記受信側トランスデューサを前記管路に固定する固定具を更に含み、
前記送信側トランスデューサおよび前記受信側トランスデューサは、同一の前記固定具に取り付けられていることを特徴とする請求項１または２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、管路内を流れる流体に超音波を入射し、超音波が該流体に含まれる反射体に反射した反射波を受信することにより流体の流量を測定する超音波流量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、超音波が物質を透過して伝搬する性質を利用して、流体が流れる配管の外側から超音波を出力（入射）し、かかる流体の流速および流量を測定する超音波流量計が知られている。超音波流量計の原理としては、伝搬時間差法、ドップラ法（反射相関法とも称される）等さまざまな方法を用いたものがある。
【０００３】
上記の超音波流量計としては、例えば特許文献１の超音波流量計を挙げることができる。特許文献１の超音波流量計は、反射相関法を用いたものであり、管路内に所定角度の超音波が入射されるようにトランスデューサをかかる管路に対して傾斜した状態で配置している。そして、トランスデューサから入射した超音波が、配管内を流れる流体に含まれる気泡や粒子等の反射体に反射した反射波を受信することにより、流体の流速および流量を算出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１０１８４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１のように反射法によって流速および流量を測定する超音波流量計では、受信した反射波の波形から式１および２によって反射体の位置を特定し、反射体の移動量を算出することにより流速ひいては流量を求めている。なお、式１および式２において、θｆは、流体中での超音波の入射角、θｓは、トランスデューサを管路に固定する固定具の入射角、Ｖｆは、流体の音速、Ｖｓは、固定具（シューとも称される）の音速である。またＬｂは、管路内壁から反射体までの距離（反射体の位置）、ｔｂは、流体中の反射体からの反射波の総伝播時間である。
θｆ＝ａｓｉｎ（Ｖｆ／Ｖｓ・ｓｉｎ（θｓ））    …式１
Ｌｂ＝Ｖｆ・（ｔｂ／２）／ｃｏｓ（θｆ）        …式２
【０００６】
上記のように、式１および式２では、反射波の総伝播時間ｔｂに、流体の音速Ｖｆおよび流体中での超音波の入射角θｆを乗算して管路内壁から反射体までの距離ｔｂを求めている。ここで、特許文献１に限らず、トランスデューサを管路に対して傾斜させて超音波を入射する方法では、入射角度が流体の音速に対し大きく変化することがあり、式２に示すように流体の音速Ｖｆの関数である流体中での超音波の入射角θｆに誤差が生じることがあった。
【０００７】
上記の誤差を補正するための方法としては、透過法による伝搬時間から求めた音速を用いることが考えられていたが、音速が大きく変化する環境下では透過法による音速測定が困難となることがある。また音速の変化がさほどない環境であっても、透過法による音速の計算、およびそれに基づいて決定された設置位置に正確にトランスデューサを取り付けなくてはならないため、多大な手間と時間を要することが課題となっていた。
【０００８】
本発明は、このような課題に鑑み、管路へのトランスデューサの設置が容易であり、且つ反射相関法によって流速および流量を正確に測定することが可能な超音波流量計を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明にかかる超音波流量計の代表的な構成は、管路内を流れる流体に超音波を入射し、超音波が流体に含まれる反射体に反射した反射波を受信することにより流体の流量を測定する超音波流量計であって、管路に対して垂直に配置され、超音波を発振する送信側トランスデューサと、送信側トランスデューサの上流側または下流側において管路に対して垂直に配置され、反射波を受信する受信側トランスデューサと、を含むことを特徴とする。
【００１０】
上記構成によれば、管路に対して垂直に設置された送信側トランスデューサから、流体に対して垂直方向に超音波が入射される。かかる超音波が管路の壁面を通過する際に、管路の壁面を垂直方向に伝搬する縦波と、管路の壁面を水平方向に伝搬する横波が発生する。そして、この横波によって壁面近傍に生じた波が反射体に反射した反射波を受信側トランスデューサにおいて受信することにより、流体の流速ひいては流量を好適に測定することができる。また受信側トランスデューサおよび送信側トランスデューサを管路に対して垂直に配置するため、角度の調整が不要である。したがって、管路へのトランスデューサの設置作業を容易に行うことができる。
【００１１】
上記受信側トランスデューサは、送信側トランスデューサの上流側または下流側に送信側トランスデューサから異なる距離に複数配置されるとよい。かかる構成によれば、より広い範囲で反射波を受信することができるため、測定精度の向上を図ることが可能となる。
【００１２】
当該超音波流量計は、送信側トランスデューサおよび受信側トランスデューサを管路に固定する固定具を更に含み、送信側トランスデューサおよび受信側トランスデューサは、同一の固定具に取り付けられているとよい。これにより、固定具を管路に取り付けることで送信側トランスデューサおよび受信側トランスデューサを一度に配管に固定することができる。したがって、トランスデューサを設置する際の作業効率をより高めることが可能である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、管路へのトランスデューサの設置が容易であり、且つ反射相関法によって流速および流量を正確に測定することが可能な超音波流量計を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施形態にかかる超音波流量計を説明する図である。
【図２】本実施形態の超音波流量計の流量測定時の動作を説明するフローチャートである。
【図３】管路に対して発振された超音波を模式的に示した図である。
【図４】図１に示す超音波流量計の変形例を示す図である。
【図５】図１に示す超音波流量計の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００１６】
図１は、本実施形態にかかる超音波流量計１００を説明する図である。本実施形態にかかる超音波流量計１００は、管路１０２内を流れる流体（不図示）に超音波を入射し、流体に含まれる反射体１０４に超音波が反射した反射波を受信することにより、流体の流速および流量を測定する。図１に示すように、本実施形態の超音波流量計１００は、固定具であるシュー１１０に取り付けられた送信側トランスデューサ１１２および受信側トランスデューサ１１４ａ・１１４ｂ、ならびに変換器１２０を含んで構成される。
【００１７】
送信側トランスデューサ１１２は、管路１０２に対して垂直に配置され、管路１０２内に超音波を発振する。受信側トランスデューサ１１４ａ・１１４ｂは、送信側トランスデューサ１１２の上流側および下流側において管路１０２に対して垂直に配置され、超音波が反射体１０４に反射した反射波を受信する。なお、本実施形態では、受信側トランスデューサ１１４ａ・１１４ｂとの混合を避けるために、超音波を発信するトランスデューサを送信側トランスデューサと称しているが、かかる送信側トランスデューサは反射波の受信を行うことも可能である。また本実施形態では、送信側トランスデューサ１１２の上流側および下流側にそれぞれ受信側トランスデューサ１１４ａ・１１４ｂを配置したが、これに限定するものではなく、いずれか一方のみに受信側トランスデューサを配置する構成としてもよい。
【００１８】
本実施形態では、送信側トランスデューサ１１２、および２つの受信側トランスデューサ１１４ａ・１１４ｂは、シュー１１０に取り付けられていて、かかるシュー１１０を介して管路１０２に固定されている。特に本実施形態では、送信側トランスデューサ１１２および受信側トランスデューサ１１４ａ・１１４ｂを１つの（同一の）シュー１１０に取り付けている。これにより、シュー１１０を管路１０２に取り付けると、送信側トランスデューサ１１２および受信側トランスデューサ１１４ａ・１１４ｂを一度に管路１０２に固定することができるため、トランスデューサを設置する際の作業効率を高めることが可能である。
【００１９】
変換器１２０は、制御部１２２、演算部１２４、記憶部１２６、超音波送信部１２８および超音波受信部１３０ａ・１３０ｂを含んで構成される。制御部１２２は、中央処理装置（ＣＰＵ）を含む半導体集積回路により超音波流量計１００の動作を管理および制御する。演算部１２４は、後に詳述するように超音波受信部１３０ａ・１３０ｂにおいて受信された反射波の受信波形を相関演算することにより、流体の流速および流量を計算する。記憶部１２６は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＥＥＰＲＯＭ、不揮発性ＲＡＭ、フラッシュメモリ、ＨＤＤ等で構成され、制御部１２２で処理されるプログラム等や、受信波形および演算部において計算された流速および流量を記憶する。
【００２０】
超音波送信部１２８（送信回路とも称される）は、送信側トランスデューサ１１２に、超音波を出力するための信号である超音波入力信号（送信電圧）を送信する、すなわちパルサーである。超音波受信部１３０ａ・１３０ｂ（受信回路とも称される）は、受信側トランスデューサにおいて受信した超音波またはその反射波（受信信号）を増幅し、アナログ信号としての受信信号をデジタル信号に変換する（Ａ／Ｄ変換する）。
【００２１】
図２は、本実施形態の超音波流量計１００の流量測定時の動作を説明するフローチャートである。図２に示すように、流量測定時、超音波流量計１００では、制御部１２２から超音波送信部１２８に測定開始信号が送信されたら、超音波送信部１２８から送信側トランスデューサ１１２に超音波入力信号が送信される（ステップＳ２０２）。これにより、送信側トランスデューサ１１２から管路１０２に対して１回目の超音波が発振される（ステップＳ２０４）。
【００２２】
図３は、管路１０２に対して発振された超音波を模式的に示した図である。ステップＳ２０４において超音波が発振されると、管路１０２では、垂直方向に伝播する縦波Ｖｐ１と、水平方向に伝搬する横波Ｖｐ２が発生する。これらの縦波Ｖｐ１および横波Ｖｐ２のうち、縦波Ｖｐ１は、管路１０２を垂直方向に透過し、流体中に伝搬する。
【００２３】
なお、この流体中に伝搬した縦波Ｖｐ１が、管路１０２の壁面の内面において反射した反射を送信側トランスデューサ１１２において受信するまでの伝搬時間を測定することにより、流体の音速Ｖｆを算出することができる。このとき、管路１０２内において複数回反射した反射波（多重波）を受信し、それによって流体の音速Ｖｆを算出すれば、シュー１１０や管路１０２の材質による音速による誤差を除外することができ、より流体の音速Ｖｆをより正確に算出することが可能となる。
【００２４】
一方、縦波Ｖｐ１と同時に発生した横波Ｖｐ２が管路１０２を水平方向に伝搬することにより、流体中には、かかる流体に対してθｘの入射角の波（以下、波Ｖｘと称する）が発生する。この波Ｖｘは、流体中に伝搬する縦波Ｖｐ１の音速と、管路を伝搬する横波Ｖｐ２の音速の比からなる波面を形成しながら流体中を斜めに伝搬していく。
【００２５】
そこで本実施形態の特徴として、受信側トランスデューサ１１４ａ・１１４ｂは、流体中を斜めに伝搬した波Ｖｘが流体中の反射体１０４によって反射した反射波を受信する。１回目の反射波（ステップＳ２０４において発振された１回目の超音波によって発生した波Ｖｘが反射体に反射した反射波）を受信したら（ステップＳ２０６）、超音波受信部１３０ａ・１３０ｂは、受信した反射波（受信信号）を増幅およびＡ／Ｄ変換し、制御部１２２は、１回目の反射波の受信波形を記憶部１２６に記憶する（ステップＳ２０８）。
【００２６】
１回目の超音波の発振（ステップＳ２０４）から所定時間（残響の影響がなくなる程度の時間）が経過したら、超音波送信部１２８は送信側トランスデューサ１１２に超音波入力信号を送信し、送信側トランスデューサ１１２は管路１０２に対して２回目の超音波を発振する（ステップＳ２１０）。そして、受信側トランスデューサ１１４ａ・１１４ｂは、２回目の反射波（ステップＳ２１０において発振された２回目の超音波によって発生した波Ｖｘが反射体に反射した反射波）を受信し、超音波受信部１３０ａ・１３０ｂは、受信した反射波（受信信号）を増幅およびＡ／Ｄ変換する（ステップＳ２１２）。
【００２７】
続いて制御部１２２は、演算部１２４において、１回目および２回目の反射波の受信波形の時間分割を行う（ステップＳ２１４）。時間分割とは、受信波形を時間軸において所定の領域ごとに分割する処理である。反射波は時間が経過しているほど遠い距離から反射していることから、時間分割を行うことによって管路内の位置を区切ることができ、壁面近傍の波形、中央部分の波形といったように、位置ごとに反射波形を取ることができる。時間分割処理を行ったら、演算部１２４は、１回目および２回目の反射波の受信波形の相関演算を行い（ステップＳ２１６）、流体の流量および流速を演算する（ステップＳ２１８）。
【００２８】
ここで、送信側トランスデューサ１１２の上流側に配置される受信側トランスデューサ１１４ａでは、反射体１０４はかかる受信側トランスデューサ１１４ａに近づいてくるように移動してくる。一方、送信側トランスデューサ１１２の下流側に配置される受信側トランスデューサ１１４ｂでは、反射体１０４はかかる受信側トランスデューサから遠ざかるように移動していく。このとき、２つの受信側トランスデューサ１１４ａ・１１４ｂは、送信側トランスデューサ１１２に対して対称に配置されているため、流れ方向の流速については、向きは逆であるが同じ値の流速が算出される。ただし配管径方向の流速は符号が逆にならないため、上下側の流速は同じ絶対値にならない。そこで上下側の流速の絶対値を平均化することにより、より正確な流れ方向の流速を算出することができる。
【００２９】
上記説明したように、本実施形態にかかる超音波流量計１００によれば、送信側トランスデューサ１１２および受信側トランスデューサ１１４ａ・１１４ｂが管路１０２に対して垂直に配置される。したがって、トランスデューサを管路１０２に対して傾斜させながら配置していた場合に比して容易に位置決めおよび固定することが可能である。また、管路１０２に対して垂直に配置された送信側トランスデューサ１１２から入射された超音波によって横波が発生し、この横波が流体中の反射体に反射した反射波を受信側トランスデューサ１１４ａ・１１４ｂにおいて受信することにより、流体の流速ひいては流量を好適に測定することができる。
【００３０】
図４および図５は、図１に示す超音波流量計１００の変形例を示す図である。図４は、変換器の変形例を図示している。図５は、送信側トランスデューサおよび受信側トランスデューサの配置の変形例を図示している。なお、以下の説明において、図１に示す超音波流量計１００と同一の要素については、同一の符号を付すことにより説明を省略する。
【００３１】
図４に示すように、超音波流量計１００の変換器１２０には、１つの超音波受信部１３０と切換器１３２が設けられている。そして、受信側トランスデューサ１１４ａ・１１４ｂは、この切換器１３２に接続され、かかる切換器１３２を介して超音波受信部１３０に接続されている。図１に示す変換器１２０では、受信側トランスデューサ１１４ａにおいて受信した反射波は超音波受信部１３０ａに、受信側トランスデューサ１１４ｂにおいて受信した反射波は超音波受信部１３０ｂに入力されていたのに対し、図４に示す変換器１２０では、切換器１３２を切り換えることにより、受信側トランスデューサ１１４ａにおいて受信した反射波、受信側トランスデューサ１１４ｂにおいて受信した反射波が交互に超音波受信部１３０に入力される。このような構成によっても、上述した超音波流量計１００と同様の効果を得ることが可能であり、超音波受信部が１つで済むという利点を有する。
【００３２】
図５（ａ）では、送信側トランスデューサ１１２および受信側トランスデューサ１１４ａ・１１４ｂは、それぞれ別のシュー１１０ａ・１１０ｂ・１１０ｃに取り付けられている。このような構成によっても上述した超音波流量計１００と同様の効果を得ることができる。そして、図５（ａ）のように別々のシュー１１０ａ〜１１０ｃに送信側トランスデューサ１１２および受信側トランスデューサ１１４ａ・１１４ｂを取り付ける際には、シュー１１０ａ〜１１０ｃのそれぞれの間に防振ゴム等の仕切体１１６ａ・１１６ｂを設けるとよい。これにより、送信側トランスデューサ１１２および受信側トランスデューサ１１４ａ・１１４ｂ間における残響の干渉を好適に防ぐことができる。
【００３３】
図５（ｂ）では、送信側トランスデューサ１１２の上流側または下流側においてかかる送信側トランスデューサ１１２から異なる距離に、更に複数の受信側トランスデューサ１１４ｃ・１１４ｄを配置している。これにより、仮に受信側トランスデューサ１１４ａ・１１４ｂにおいて反射波が受信できない場合、すなわち反射波の受信位置が送信側トランスデューサ１１２からはなれている場合であっても、受信側トランスデューサ１１４ｃ・１１４ｄで反射波を受信することができる。このようにより広い範囲で反射波を受信することができることで、測定精度の向上を図ることが可能となる。
【００３４】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明は、管路内を流れる流体に超音波を入射し、超音波が該流体に含まれる反射体に反射した反射波を受信することにより流体の流量を測定する超音波流量計に利用可能である。
【符号の説明】
【００３６】
１００…超音波流量計、１０２…管路、１０４…反射体、１１０・１１０ａ・１１０ｂ・１１０ｃ…シュー、１１２…送信側トランスデューサ、１１４ａ…受信側トランスデューサ、１１４ｂ…受信側トランスデューサ、１１４ｃ…受信側トランスデューサ、１１４ｄ…受信側トランスデューサ、１１６ａ…仕切体、１１６ｂ…仕切体、１２０…変換器、１２２…制御部、１２４…演算部、１２６…記憶部、１２８…超音波送信部、１３０…超音波受信部、１３０ａ…超音波受信部、１３０ｂ…超音波受信部、１３２…切換器
【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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