(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、 被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、 前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えて被測定流体の流量を測定する超音波流量計であって、
前記の流体速度分布測定手段は、前記測定線に係る流体配管の内径方向位置と、その内径方向に対応する流体速度と二軸として流速分布を表す流速分布グラフを出力させるグラフ出力手段と、
そのグラフ出力手段にて出力された流速分布グラフから、変曲点を算出することによって内径方向の軸に対して内壁の位置を算出する内壁位置算出手段と備え、
その内壁位置算出手段は、前記の流速分布を補間して形成した二次曲線を微分して得たゼロ点に基づいて内壁位置を特定することとし、
前記の流量演算手段は、前記内壁位置算出手段が算出した内壁の位置に基づく積分演算に基づいて被測定流体の流量を測定することとした超音波流量計。
【請求項２】
前記の流体速度分布測定手段には、内壁位置算出手段が算出した内壁の位置を手動入力によって微調整することが可能な微調整入力データ受信手段を備えた請求項１記載の超音波流量計。
【請求項３】
所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、 被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、 前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えて被測定流体の流量を測定する超音波流量計であって、
前記の流体速度分布測定手段は、前記測定線に係る流体配管の内径方向位置と、その内径方向に対応する流体速度と二軸として流速分布を表す流速分布グラフを出力させるグラフ出力手段と、
内径方向の軸に対して内壁の位置に関する手動入力データを受け付ける手動入力データ受信手段と、
その手動入力データ受信手段が受け付けた手動入力データに基づいて内径方向の軸に対して内壁の位置を算出する内壁位置算出手段と備え、
その内壁位置算出手段は、前記の手動入力データを補間して形成した二次曲線を微分して得たゼロ点に基づいて内壁位置を特定することとし、
前記の流量演算手段は、前記内壁位置算出手段が算出した内壁の位置に基づく積分演算に基づいて被測定流体の流量を測定することとした超音波流量計。
【請求項４】
所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、 被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、 前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えて被測定流体の流量を測定する超音波流量計を制御するプログラムであって、
そのプログラムは、前記測定線に係る流体配管の内径方向位置と、その内径方向に対応する流体速度と二軸として流速分布を表す流速分布グラフを前記の流体速度分布測定手段に出力させるグラフ出力手順と、
そのグラフ出力手順にて出力された流速分布グラフから二次曲線を特定して微分し、セロ点から変曲点を算出することによって内径方向の軸に対して内壁の位置を算出する内壁位置算出手順と、
前記の内壁位置算出手順にて算出した内壁の位置に基づく積分演算に基づいて被測定流体の流量を演算する流量演算手順と、を超音波流量計に実行させることとしたコンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定領域の流速分布から被測定流体の流量を時間依存で瞬時に測定することが可能な超音波流量計およびそれに関連する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
非接触で流量を測定可能であるドップラ式超音波流量計については、さまざまな技術が提供されている。（例えば、特開２０００−９７７４２号）【０００３】
【特許文献１】特開２０００−９７７４２号
【０００４】
上記の技術を、図４および図５に基づいて具体的に説明する。上記文献に開示されているドップラ式超音波流量計は、所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体（たとえば水）の配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えて被測定流体の流量を測定するものである。
図４は、測定線を分割してとらえ、流速を算出した状態をモデル的に示したものである。【０００５】
この技術は、配管内を流れる被測定流体の流速分布を測定し、時間的に変動する過渡時の流量を応答性に優れている。また、流体の流れが充分に発達していない箇所や流れが三次元になっている場所、例えばエルボ配管やＵ字状の反転配管のように曲げられた配管の直後でも、被測定流体の流量を効率的に精度よく瞬時に測定できる。それ以前に提供されていた超音波流量計と比較した場合、実験値や経験値などから割り出された「流量補正係数」がなくても正確な測定が可能であるという特徴があり、大きく評価されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
さて、  図５に示すのは、モデル的に示した図４と異なり、実際の流速を算出した状態を示したものである。
現在は、トランスジューサ２０の端面からくさび内通過時間、配管内通過時間、および非測定流体内通過時間を、それぞれの幾何学形状および音速を用いて、内壁面の位置を算出している。
この図から明らかなように、流体配管の内壁に近い測定点は流速の変化が大きいため、内壁の位置の特定を誤ると、最終的な流量の算出に大きな誤差が生じてしまう。
流体配管の内壁の位置（＝トランスジューサーからの距離を正確に算出すること）の計算を困難にしている要因は、トランスジューサの個体差、超音波受信回路の個体差（使われているコンデンサー等による遅延の個体差）が想定される。しかし、ばらつきの存在理由を解明したり、ばらつきの原因を除去することによって解消しようとすることは現実的ではない。【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、超音波流量計において、流速分布の算出結果から内壁位置を特定する際の特定誤差を低減することによって、より正確な流量を計測する技術を提供することである。
請求項１から請求項３に記載の発明の目的は、超音波流量計において、流速分布の算出結果から内壁位置を特定する際の特定誤差を低減することによって、より正確な流量を計測する超音波流量計を提供することにある。
請求項４から請求項５に記載の発明の目的は、超音波流量計において、流速分布の算出結果から内壁位置を特定する際の特定誤差を低減することによって、より正確な流量を計測する流量計測方法を提供することにある。
請求項６から請求項７に記載の発明の目的は、超音波流量計において、流速分布の算出結果から内壁位置を特定する際の特定誤差を低減することによって、より正確な流量を計測する超音波流量計に実行させることとしたコンピュータプログラムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（請求項１）
請求項１記載の発明は、  所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、 被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、 前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えて被測定流体の流量を測定する超音波流量計に係る。
前記の流体速度分布測定手段は、前記測定線に係る流体配管の内径方向位置と、その内径方向に対応する流体速度と二軸として流速分布を表す流速分布グラフを出力させるグラフ出力手段と、  そのグラフ出力手段にて出力された流速分布グラフから、変曲点を算出することによって内径方向の軸に対して内壁の位置を算出する内壁位置算出手段と備える。
その内壁位置算出手段は、前記の流速分布を補間して形成した二次曲線を微分して得たゼロ点に基づいて内壁位置を特定することとし、  前記の流量演算手段は、前記内壁位置算出手段が算出した内壁の位置に基づく積分演算に基づいて被測定流体の流量を測定することとした。
【０００９】
（用語説明）
上記の超音波流量計には、一般のドップラ式超音波流量計と、相関法を用いた超音波流量計とを含む。相関法を用いた超音波流量計とは、例えば、特開２００３−３４４１３１号に開示されているような超音波流量計である。
両者とも、所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、  被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、  前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えて被測定流体の流量を測定する。【００１０】
「流量演算手段」は、流量をｍ（ｔ）とするとき、 
【数１】
0004827006.tif 000002
の演算を行う手段である。【００１１】
また、上記の式（１）から、流体配管を流れる時間ｔの流量ｍ（ｔ）は、次式に書き換えることができる。
【数２】
0004827006.tif 000003
【００１２】
なお、配管内を流れる被測定流体の流れが、管軸方向の流れで半径方向や角度θの流れｖｒ，ｖθを無視できるとすると、ｖｘ＞＞ｖｒ＝ｖθとなり、流量計測は簡素化され、次式で表わされる。
【数３】
0004827006.tif 000004
ここで、αとは、超音波トランスジューサから発信される超音波の入射角度、すなわち管壁への垂線に対してなす角度である。【００１３】
「内壁位置算出手段」による「変曲点の算出」は、様々な数学的手法を用いればよい。例えば、流速分布を補間などの手法によって二次曲線としてそれを微分し、ゼロとなる点をもとにして算出する方法である。【００１４】
（作用）
流体速度分布測定手段においては、測定線に係る流体配管の内径方向と、その内径方向に対応する流体速度と二軸として流速分布を表す流速分布グラフをグラフ出力手段が出力させる。そのグラフ出力手段にて出力された流速分布グラフから、内壁位置算出手段が変曲点を算出することによって内径方向の軸に対して内壁の位置を算出する。内壁位置算出手段が算出した内壁の位置に基づいて流量演算手段が積分演算をし、被測定流体の流量を算出することとなる。
内壁位置を正確に特定することにより、最終的な流量の算出誤差を低減させることができる。【００１５】
（請求項２）
請求項２記載の発明は、請求項１記載の超音波流量計を限定したものである。
すなわち、前記の流体速度分布測定手段には、内壁位置算出手段が算出した内壁の位置を手動入力によって微調整することが可能な微調整入力データ受信手段を備えたことを特徴とする。
内壁位置算出手段による自動算出の結果に対して、経験的な補正をする手段として「微調整入力データ受信手段」を備えたものである。例えば、内壁位置算出手段が算出した内壁の位置を縦軸として画面出力し、その縦軸をカーソルキーにて左右に移動させたり、移動後にリターンキーによって確定させたりする機能を併せ持つこととするのである。【００１６】
（作用）
内壁位置算出手段による自動算出の結果に対して、経験的な判断から更なる補正をすることができるようにした。このにより、経験を踏まえた正確な内壁位置の特定が可能となり、最終的な流量の算出誤差を低減させることに寄与する。【００１７】
（請求項３）
請求項３に記載の発明は、所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、 被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、 前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えて被測定流体の流量を測定する超音波流量計に係る。
前記の流体速度分布測定手段は、前記測定線に係る流体配管の内径方向位置と、その内径方向に対応する流体速度と二軸として流速分布を表す流速分布グラフを出力させるグラフ出力手段と、  内径方向の軸に対して内壁の位置に関する手動入力データを受け付ける手動入力データ受信手段と、  その手動入力データ受信手段が受け付けた手動入力データに基づいて内径方向の軸に対して内壁の位置を算出する内壁位置算出手段と備え、  その内壁位置算出手段は、前記の手動入力データを補間して形成した二次曲線を微分して得たゼロ点に基づいて内壁位置を特定することとし、  前記の流量演算手段は、前記内壁位置算出手段が算出した内壁の位置に基づく積分演算に基づいて被測定流体の流量を測定することとした。
【００１８】
以下のような発明を提供することもできる。
すなわち、所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、 被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、 前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えて被測定流体の流量を測定する超音波流量計を用いた流量計測方法に係る。
すなわち、前記の流体速度分布測定手段によって、前記測定線に係る流体配管の内径方向位置と、その内径方向に対応する流体速度と二軸として流速分布を表す流速分布グラフを出力させるグラフ出力手順と、 内径方向の軸に対して内壁の位置を算出する内壁位置算出手順と、 前記の流量演算手段によって、前記内壁位置算出手順にて算出した内壁の位置に基づく積分演算に基づいて被測定流体の流量を演算する流量演算手順とを実行する流量計測方法である。
【００１９】
以下のような発明を提供することもできる。
すなわち、所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、 被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、 前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えて被測定流体の流量を測定する超音波流量計を用いた流量計測方法に係る。
前記の流体速度分布測定手段によって、前記測定線に係る流体配管の内径方向位置と、その内径方向に対応する流体速度と二軸として流速分布を表す流速分布グラフを出力させるグラフ出力手順と、 内径方向の軸に対して内壁の位置に関する手動入力データを受け付ける手動入力データ受信手順と、 その手動入力データ受信手順にて受け付けた手動入力データに基づいて内径方向の軸に対して内壁の位置を算出する内壁位置算出手順と、 前記の流量演算手段によって、前記内壁位置算出手順にて算出した内壁の位置に基づく積分演算に基づいて被測定流体の流量を演算する流量演算手順とを実行する流量計測方法である。
【００２０】
（請求項４）
請求項４に記載の発明は、  所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、 被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、 前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えて被測定流体の流量を測定する超音波流量計を制御するプログラムに係る。
そのプログラムは、前記測定線に係る流体配管の内径方向位置と、その内径方向に対応する流体速度と二軸として流速分布を表す流速分布グラフを前記の流体速度分布測定手段に出力させるグラフ出力手順と、  そのグラフ出力手順にて出力された流速分布グラフから二次曲線を特定して微分し、セロ点から変曲点を算出することによって内径方向の軸に対して内壁の位置を算出する内壁位置算出手順と、  前記の内壁位置算出手順にて算出した内壁の位置に基づく積分演算に基づいて被測定流体の流量を演算する流量演算手順と、を超音波流量計に実行させることとしたコンピュータプログラムである。
【００２１】
以下のような発明を提供することもできる。
すなわち、所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、 被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、 前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えて被測定流体の流量を測定する超音波流量計を制御するプログラムに係る。
そのプログラムは、前記測定線に係る流体配管の内径方向位置と、その内径方向に対応する流体速度と二軸として流速分布を表す流速分布グラフを前記の流体速度分布測定手段に出力させるグラフ出力手順と、 内径方向の軸に対して内壁の位置に関する手動入力データを受け付ける手動入力データ受信手順と、 内壁の位置を算出する内壁位置算出手順と、 前記の内壁位置算出手順にて算出した内壁の位置に基づく積分演算に基づいて被測定流体の流量を演算する流量演算手順とを超音波流量計に実行させることとしたコンピュータプログラムである。
【００２２】
請求項４または上記に係るコンピュータプログラムを、記録媒体へ記憶させて提供することもできる。ここで、「記録媒体」とは、それ自身では空間を占有し得ないプログラムを担持することができる媒体であり、例えば、フレキシブルディスク、ハードディスク、ＣＤ−Ｒ、ＭＯ（光磁気ディスク）、ＤＶＤ−Ｒなどである。
また、これらの発明に係るプログラムを格納したコンピュータから、通信回線を通じて他のコンピュータへ伝送することも可能である。
なお、汎用的なコンピュータを備えた超音波流量計に対して、上記のような各手段を達成可能であるようなプログラムをプリインストール、あるいはダウンロードすることで、請求項１等に係る機能を備えた超音波流量計を形成することも可能である。
【発明の効果】
【００２３】
請求項１から請求項３に記載の発明によれば、超音波流量計において、流速分布の算出結果から内壁位置を特定する際の特定誤差を低減することによって、より正確な流量を計測する超音波流量計を提供することができた。
請求項４から請求項５に記載の発明によれば、超音波流量計において、流速分布の算出結果から内壁位置を特定する際の特定誤差を低減することによって、より正確な流量を計測する流量計測方法を提供することができた。
請求項６から請求項７に記載の発明によれば、超音波流量計において、流速分布の算出結果から内壁位置を特定する際の特定誤差を低減することによって、より正確な流量を計測する超音波流量計に実行させることとしたコンピュータプログラムを提供することができた。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明を実施の形態及び図面に基づいて、更に詳しく説明する。ここで使用する図面は、図１から図３および図５である。図１および図２は、実施形態を概念的に説明したものである。図３は、図５にて出力された流速分布を抽出するとともに、図１の実施形態の主要部分を示したものである。
（図１）
図１は、被測定流体が流れる流体配管の流量を計測するための超音波流量計において、被測定流体に入射された超音波パルスの測定領域から反射された超音波エコーを受信する受信機を兼ねた超音波送受信手段（トランスジューサ）を備える。【００２５】
トランスジューサは、被測定流体に入射された超音波パルスの測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段とを兼ねている。そして、その流速分布に基づいて被測定流体の流量を時間依存で求める流量演算手段としてのマイコン、ＣＰＵ、ＭＰＵ等のコンピュータと、このコンピュータからの出力を時系列的に表示可能な表示装置（図１中では「出力手段（モニタ）」として図示）とに接続されている。【００２６】
また、トランスジューサには、トランスジューサを加振させる信号発生器としての加振用アンプを備えており、加振用アンプから所要の基本周波数のパルス電気信号が超音波トランスジューサへ入力されるようになっている。そして、パルス電気信号の印加により基本周波数の超音波パルスが測定線に沿って発信せしめられる。超音波パルスは、パルス幅５mm程度で拡がりをほとんど持たない直進性のビームである。これは、図４にて説明したことと同様である。【００２７】
トランスジューサは、発信された超音波パルスが流体配管内の被測定流体中の反射体（例えば気泡）に当って反射されて超音波エコーとなり、トランスジューサが兼ねたエコー受信手段にて受信され、その反射波レシーバーにてエコー電気信号へ変換される。このエコー電気信号は、増幅器で増幅された後、ＡＤ変換器を通ってデジタル化される。そして、デジタル化されたデジタルエコー信号が流速分布計測回路を備えた流速分布測定手段に入力される。【００２８】
流速分布測定手段では、発信用アンプからの基本周波数の電気信号がデジタル化されて入力され、両信号の周波数差からドップラシフトに基づく流速の変化もしくは両信号の相互相関値を用いて流速を計測し、測定線に沿う測定領域の流速分布を算出している。測定領域の流速分布を超音波の入射角度αで較正することによって、流体配管の横断面における流速分布を算出することができる。算出された流速分布は、モニタ上にグラフとして出力される。【００２９】
グラフとして算出する際、「内壁位置算出手段」によって、仮の内壁位置をも出力する。その「仮の内壁位置」は、例えば、流速分布を補間などの手法によって二次曲線としてそれを微分し、ゼロとなる点をもとにして算出する。なお、「仮の内壁位置」の算出については、様々な数学的手法を組み合わせたり、場合分けして使い分けたりすることとしてもよい。【００３０】
モニタ上のグラフを目視確認した測定者は、手動入力データ受信手段（例えば、当該モニタに接続されたキーボードのカーソルキー）を用いて、内壁位置についての補正データを入力する。具体的には、図３に示すように、カーソルキーなどを使って、内壁位置を示すラインを左右に移動させるのである。
もちろん、補正の必要がないと測定者が判断すれば、補正データの入力は行わなくてよい。ただし、補正データの入力は不要である旨を内壁位置算出手段へ入力する必要がある。【００３１】
決定された内壁位置データを用いて、流量演算手段が被測定流体の流量を算出する。そしてその算出流量を、再びモニタ上に出力させる。
本実施形態に係る超音波流量計は、測定領域の流速分布を時間依存で求めることができるので、被測定流体の流量を定常状態、非定常状態如何を問わず、正確に精度よく求めることができる。また、内壁位置算出手段によって、仮の内壁位置を自動算出し、更に、測定者の経験などをふまえた補正を加味することができるので、内壁位置の算出に伴う測定誤差の抑制に寄与する。【００３２】
（図２）
図２に示す実施形態は、図１にて用いていた「内壁位置算出手段」における自動算出を省略し、測定者によるデータ入力によって内壁位置を決定するものである。何らかの事情によって測定点が少なくなってしまい、流速分布を補間などの手法によって連続曲線とできないような場合にも対応できる。ただし、本実施形態の場合には、測定者らによる内壁位置のデータ入力が必須であり、これがないと、最終的な流量算出が行えない。
なお、自動算出を省略することによって装置全体の簡素化、コストダウンに寄与するというメリットがある。【００３３】
上述してきた実施形態では、図３を中心に、内壁位置についての右側（測定線上では遠い点）について説明してきたが、ゼロ点についても自動算出したり、測定者らによる補正が行えるようにしている。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本願発明は、ドップラ式超音波流量計に限られず、一般の超音波流量計に属する流量計においても採用することができる。
また、超音波流量計の製造業のほか、超音波流量計取り付け業、メンテナンス業においても用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】第一の実施形態を示す概念図である。
【図２】第二の実施形態を示す概念図である。
【図３】第三の実施形態を示す概念図である。
【図４】従来の技術を示すための概念図である。
【図５】流速分布を画面出力させた様子を示す図である。
【図１】
0004827006.tif 000005
【図２】
0004827006.tif 000006
【図３】
0004827006.tif 000007
【図４】
0004827006.tif 000008
【図５】
0004827006.tif 000009