(57)【要約】【課題】本発明の課題は、従来の超音波流量測定方法の測定精度を改善する超音波流量測定方法を提供することである。【解決手段】上記課題は、本発明により、一方の超音波振動子から他方の超音波振動子へ向かう超音波パルスの計算された伝搬に基づいて、少なくとも１つの補正パラメータを求め、一方の超音波振動子から他方の超音波振動子へ向かう超音波パルスの伝搬の計算を前記超音波振動子の所定の振動の周波数スペクトルを考慮して行い、求められた補正パラメータを考慮して流速を計算することにより解決される。【選択図】　　　図５
2004020569.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定管を貫流する媒体の流速を前記媒体の流れの方向に互いにずらして配置した２つの超音波振動子を用いて測定する超音波流量測定方法であって、前記２つの超音波振動子により、一方ではそれぞれ超音波パルスを送信し、他方ではそれぞれ他方の超音波振動子により送信された超音波パルスを受信し、一方の又は他方の超音波振動子により受信された超音波パルスの伝搬時間に基づいて流速を計算するようにした超音波流量測定方法において、
一方の超音波振動子から他方の超音波振動子へ向かう超音波パルスの計算された伝搬に基づいて、少なくとも１つの補正パラメータを求め、
一方の超音波振動子から他方の超音波振動子へ向かう超音波パルスの伝搬の計算を前記超音波振動子の所定の振動の周波数スペクトルを考慮して行い、
前記求められた補正パラメータを考慮して流速を計算する、ことを特徴とする超音波流量測定方法。
【請求項２】
前記補正パラメータを求めるために、システムパラメータとして、例えばリアルタイムで測定される媒体中の音速を考慮する、請求項１記載の超音波流量測定方法。
【請求項３】
前記補正パラメータを求めるために、システムパラメータとして、周波数に依存する媒体中の超音波パルスの減衰を考慮する、請求項１又は２記載の超音波流量測定方法。
【請求項４】
前記補正パラメータを求めるために、システムパラメータを行列にまとめる、請求項１から３のいずれか１項記載の超音波流量測定方法。
【請求項５】
前記システムパラメータの中間値を補間を介して考慮する、請求項４記載の超音波流量測定方法。
【請求項６】
前記補正パラメータを求めるために、システムパラメータの関数としてフィット曲線を使用する、請求項１から３のいずれか１項記載の超音波流量測定方法。
【請求項７】
前記補正パラメータを流れが無いと仮定して求める、請求項１から６のいずれか１項記載の超音波流量測定方法。
【請求項８】
前記補正パラメータとして、一方の超音波振動子から他方の超音波振動子へ向かう超音波パルスの予想伝搬時間、又は、一方の超音波振動子から他方の超音波振動子へ向かう超音波パルスの伝搬時間の遅延を求める、請求項１から７のいずれか１項記載の超音波流量測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、測定管を貫流する媒体の流速を媒体の流れの方向に互いにずらして配置した２つの超音波振動子を用いて測定する超音波流量測定方法であって、２つの超音波振動子により一方ではそれぞれ超音波パルスを送信し、他方ではそれぞれ他方の超音波振動子により送信された超音波パルスを受信し、一方の又は他方の超音波振動子により受信された超音波パルスの伝搬時間に基づいて流速を計算するようにした超音波流量測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の超音波流量測定方法は、測定管を貫流する媒体の流速の測定に使用される。これに関して、つぎのことに注意しなければならない。測定管を貫流する媒体は、一般に、所定の流れ断面をもって流れる。例えば、層流であれば、半径方向の速度勾配が線形であるような流れ断面を有する。いずれにせよ、媒体は測定管の断面内の異なる点においては通常互いに異なる速度で流れており、そのため、測定された流速はつねに、測定路に沿って、つまり２つの超音波振動子の間の連絡路に沿って平均された流速に過ぎない。
【０００３】
さらに、この平均された流速は、必ずしも測定管内の媒体全体の平均流速なのではなく、測定路を通る媒体の流れに依存する。測定管を流れる媒体全体の平均流速は、測定管が回転対称な管であり、流れ断面も同様に回転対称であり、２つの超音波振動子を結ぶ線が測定管の縦軸と交差する場合にのみ、２つの超音波振動子を用いた測定により求められる。
【０００４】
これ以外に、測定管に関して、測定管は一般に実際に回転対称である、つまり、その断面が円形であることに注意されたい。しかし、原則的には、測定管の断面は任意であってよい。さらに、測定管は外周の閉じた管であってもよいし、開水路であってもよい。
【０００５】
冒頭に記載した超音波流量測定方法の基礎となる測定原理はつぎの通りである。超音波パルスは、一方では流速方向の速度成分で伝搬し、他方では流れる媒体の流速とは反対方向の速度成分で伝搬するため、下記の超音波パルスの伝搬時間が得られる：
【０００６】
【数１】
2004020569.tif 000003
【０００７】
ここで、Ｔａｂは流速方向の速度成分を有する超音波パルスの伝搬時間であり、Ｔｂａは流速とは反対方向の速度成分を有する超音波パルスの伝搬時間であり、Ｌは２つの超音波振動子の間の距離であり、ｃは測定管を貫流する媒体中の音速であり、ｖｍは測定路、つまり超音波振動子を結ぶ線に沿った媒体の平均速度であり、θは２つの超音波振動子を結ぶ線と流れの方向との間の角度である。
【０００８】
方程式１及び２により、媒体の平均速度がつぎのようにして計算される。
【０００９】
【数２】
2004020569.tif 000004
【００１０】
方程式３は、媒体中の音速が媒体の流速の計算には入ってこないことを示している。したがって、この計算によれば、媒体の流速は媒体中の音速に依存しない。
【００１１】
【非特許文献１】
Ｋｉｎｓｌｅｒ，Ｆｒｅｙ，Ｃｏｐｐｅｎｓ，Ｓａｎｄｅｒｓ，
Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ　ｏｆ　Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ，
Ｔｈｉｒｄ　Ｅｄｉｔｉｏｎ，Ｗｉｌｅｙ
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、従来の超音波流量測定方法の測定精度を改善する超音波流量測定方法を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、本発明により、一方の超音波振動子から他方の超音波振動子へ向かう超音波パルスの計算された伝搬に基づいて、少なくとも１つの補正パラメータを求め、一方の超音波振動子から他方の超音波振動子へ向かう超音波パルスの伝搬の計算を前記超音波振動子の所定の振動の周波数スペクトルを考慮して行い、求められた補正パラメータを考慮して流速を計算することにより解決される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
一方の超音波振動子から他方の超音波振動子へ向かう超音波パルスの伝搬を計算するために、周波数に依存する媒体中の超音波パルスの減衰及び／又は媒体中の音速のようなシステムパラメータを考慮する。しかも、これを所定の周波数スペクトルに関して行う。つまり、少なくとも１つのシステムパラメータを考慮して、ただ１つの周波数に対してだけではなく、複数の周波数に対して補正パラメータを求める。この周波数スペクトルは、個々の周波数が連続して現れる連続的な周波数スペクトルであってもよいし、また、互いに間隔のある離散的な周波数を有する離散的な周波数スペクトルであってもよい。
【００１５】
前記システムパラメータ、つまり周波数に依存する媒体中の超音波パルスの減衰に代わって又は加えて、超音波振動子の振動活発領域の直径又は面積、媒体の密度、超音波振動子間の距離、つまり測定路の長さ等のような別のパラメータを考慮してもよい。ここで、超音波振動子の振動活発領域とは、振動能力に基づいて超音波パルスの送信又は受信を担当している超音波振動子内の領域を意味している。超音波振動子の振動活発領域のサイズ及び形状は、とりわけ、生成される超音波パルスの特性にとって重要である。
【００１６】
補正パラメータは、例えば、一方の超音波振動子から他方の超音波振動子へ向かう超音波パルスの予想伝搬時間又はこの伝搬時間の遅延であってもよい。その場合、有利には、補正パラメータは、流れが無いものと仮定して求められる。それにより、伝搬時間を補正パラメータとした場合、測定された伝搬時間を補正した後に得られる伝搬時間に基づいて、媒体の流速に関する直接的な推論が可能となる。付加的に、別の補正パラメータを用意してもよい。
【００１７】
補正パラメータの値を迅速に、有利には、リアルタイムで得る目的で、補正パラメータを求めるためにシステムパラメータを行列にまとめてもよい。その際、２つ又はそれ以上のシステムパラメータの組合せが補正パラメータに対応付けられる。これによっては離散的なシステムパラメータしか考慮されないので、本発明の有利な発展形態によれば、システムパラメータの中間値が有利には線形補間により考慮される。しかし、補正パラメータを求めるために、必要に応じて厳密な解析的数式及び／又は経験的な数式の形で、システムパラメータの関数としてフィット曲線を使用してもよい。これにより、補正パラメータを求めるために、連続的なシステムが利用可能となる。
【００１８】
個別的には、本発明による超音波流量測定方法を構成し、発展させる仕方は多数ある。これらは、請求項１に従属する請求項、及び、図面に基づいた以下の本発明の有利な実施例の説明により、明らかにされる。
【００１９】
【実施例】
図１には、超音波パルスを発する超音波振動子の振動活発領域が、平らな円板として概略的に示されている。超音波振動子により媒体内に形成される音圧場の局所的圧力ｐは、円板の中心点からの距離ｒと角度θとに依存して記述することができ、したがって、音圧場の時間発展に対して、
【００２０】
【数３】
2004020569.tif 000005
【００２１】
が成り立つ（非特許文献１、第１７６頁）。ここで、ｔは時間、ρは媒体の密度、Ｕ０は超音波振動子の振動活発領域の振動の振幅、ｋは波数、ωは超音波振動子の振動の角周波数、Ｓは超音波振動子の振動活発領域の面積である。
【００２２】
超音波振動子の振動活発領域は、所定の速度関数ｕ（ｔ）で超音波パルスの放射方向を往復して運動する。この速度関数は各々の超音波振動子のタイプに固有のものである。使用している超音波振動子の振動活発領域の運動は調和振動ではなく、広い周波数スペクトルを有する振動であることが知られているので、速度関数は
【００２３】
【数４】
2004020569.tif 000006
【００２４】
と書くことができる。ただし、Ｆｎは各々の周波数の振幅である。
【００２５】
ここで、速度関数ｕ（ｔ）にフーリエ変換を施してもよい。それにより、各フーリエ係数ｎに対する周波数範囲内の音圧場の成分Ｐｎ（ｒ，θ，ｆｎ）が得られる。そうすれば、これらの成分に関して、音圧場の計算のためのシステムパラメータを原則的にそれ自体公知のやり方で考慮することができる。以下では、これを減衰係数αに関して例示的に行う。
【００２６】
減衰係数に対して、
【００２７】
【数５】
2004020569.tif 000007
【００２８】
が成り立つ（非特許文献１、第１４８頁）。ここで、ηは媒体の動粘度である。これにより、成分Ｐｎに関して
【００２９】
【数６】
2004020569.tif 000008
【００３０】
が得られる。
【００３１】
同様のことが考慮されるべきすべてのシステムパラメータに対して実行された後に、フーリエ逆変換により時間領域へ再び変換され、音圧場ｐ（ｒ，θ，ｔ，α）の時間発展が得られる。４つの相異なる時点における音圧場の表現、つまり、超音波振動子により媒体内に送信された超音波パルスの時間発展は、図２に示されている。
【００３２】
上で説明したような、超音波振動子の振動のフーリエ変換による所定の周波数スペクトルを考慮して超音波伝搬の補正パラメータを求めるやり方は、図３から図式的に見て取れる。図３には、減衰係数αを介した粘度の考慮の他に、超音波振動子の振動活発領域の直径ａ、媒体中の音速ｃ、媒体の密度ρ、及び、２つの超音波振動子間の距離に相当する測定路の長さＬのような別のパラメータを考慮してもよいことが示されている。補正パラメータのシステムパラメータに対する相応の依存関係又はシステムパラメータ同士の依存関係は、当業者には周知であり、又は前掲した教科書（非特許文献１）のような専門文献で調べることができる。結局、これにより、発生する音圧場ｐｒｅｓ及び最終的には、一方の超音波振動子から他方の超音波振動子への超音波パルスの伝搬時間Ｔが求められる。
【００３３】
発生する音圧場ｐｒｅｓの変化は測定路に沿った超音波パルスの伝搬時間Ｔの変化に対応している。測定管を通る媒体の流速を理論的にゼロと仮定した場合、遅延時間Ｔｄを導入して、伝搬時間は
【００３４】
【数７】
2004020569.tif 000009
【００３５】
と書ける。ここで導入された遅延時間Ｔｄは２つの時間から構成されている。
【００３６】
Ｔｄ＝Ｔｃｏｎｓｔ＋ΔＴ　　　　　　　　　　　　　　　（９）
ここで、時間Ｔｃｏｎｓｔは、遅延時間に寄与する一定の時間であり、実質的に使用している超音波流量測定装置の電子回路内での遅延、及び、超音波振動子内での遅延に由来するものである。時間ΔＴは、遅延時間に寄与する可変の時間であり、実質的に音圧場により決定される。つまり、上で示されているように、遅延時間は一定ではなく、音速ｃ、測定路の長さＬ、減衰係数α、超音波振動子の振動活発領域の半径ａなどの関数であり、したがって、遅延時間は
Ｔｄ＝Ｔｄ（ｃ，Ｌ，α，ａ，…）　　　　　　　　　　　（１０）
と書ける。所定の超音波振動子のタイプに関して直径ａは既知である。減衰の影響と音速ｃ及び測定路長Ｌ以外の別のシステムパラメータとの影響を無視すれば、遅延時間Ｔｄは音速ｃと測定路長Ｌとに依存して計算することができる。このようにして求められた遅延時間が図４のグラフに示されている。
【００３７】
所定の超音波振動子のタイプに関して、音速ｃと測定路長Ｌとに依存して遅延時間Ｔｄの具体的な値が知られれば、図５に概略的に示されている以下の補正方法が実行される。
【００３８】
実際の音圧場では、一方の超音波振動子から他方の超音波振動子への超音波パルスは所定の遅延時間Ｔを有する。流れの方向又はその反対方向におけるこれらの遅延時間Ｔａｂ及びＴｂａは、ステップＩにおいて測定される。測定された遅延時間Ｔａｂ及びＴｂａに基づいて、ステップＩＩでは音速ｃが、例えば方程式１及び３を利用して計算される。この計算は、本来の超音波流量測定方法の最中にリアルタイムで行われる。これにより、
【００３９】
【数８】
2004020569.tif 000010
【００４０】
が得られる。つぎにステップＩＩＩでは、使用している超音波流量測定器の既知の測定路長Ｌを用いて、本来の補正が実行される。いま説明している本発明の有利な実施例によれば、このために、超音波流量測定方法の実行に使用される超音波流量測定器に、測定路長Ｌと音速ｃとに依存して遅延時間Ｔｄの行列が格納されている。Ｌ及びｃの具体的な値の１対ごとに正確に１つの値Ｔｄが対応付けられている。Ｌ及びｃの中間値は、Ｔｄの相応する値の間の線形補間により考慮される。つぎにステップＩＩＩでは、既知のＬと求められた音速ｃとを用いて、キャリブレーション長Ｌｃａｌからの測定路長Ｌの偏差に起因する遅延時間の寄与が求められる。
【００４１】
ΔＴＬ＝Ｔｄ（Ｌｃａｌ，ｃｃａｌ）−Ｔｄ（Ｌ，ｃｃａｌ）　　　　（１２）
なお、キャリブレーション長Ｌｃａｌは、一般に工場内でのキャリブレーションプロセスにおいて求められる。リアルタイムで測定された音速に基づいて、同じ事がキャリブレーションで使用された媒体の音速から偏差した音速に対しても行われる。
【００４２】
ΔＴｃ＝Ｔｄ（Ｌ，ｃｃａｌ）−Ｔｄ（Ｌ，ｃ）　　　　（１３）
こうして、補正された遅延時間Ｔｄ，ｃｏｒｒとして
Ｔｄ，ｃｏｒｒ＝Ｔｄ−ΔＴＬ−ΔＴｃ　　　　　　　　（１４）
が得られる。つぎにステップＩＶでは、補正された遅延時間Ｔｄ，ｃｏｒｒを考慮して、測定路に沿って平均した流速ｖｍが計算される。
【００４３】
いま説明した本発明の有利な実施例では、補正のために遅延時間Ｔｄだけが利用されている。このやり方にとっては、遅延時間Ｔｄも含めた全伝搬時間Ｔを考慮しても効果は同じである。さらに、もちろん、伝搬時間に関してだけでなく他のパラメータに関して補正を行ってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】超音波パルスの音圧場を計算するために使用される座標系を概略的に示す。
【図２】超音波振動子により媒体内に送信された超音波パルスの時間発展を示す。
【図３】超音波振動子の振動のフーリエ変換による所定の周波数スペクトルを考慮して超音波伝搬の補正パラメータを求める方法を概略的に示す。
【図４】一方では媒体中の音速に他方では超音波振動子間の距離に依存して求められた遅延時間を示す。
【図５】本発明の有利な実施例による超音波流量測定方法の流れを概略的に示す。
【図１】
2004020569.tif 000011
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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