(57)【要約】【課題】反射相関方式の超音波流量計において、流量演算の精度を向上させる。【解決手段】流体が流れる配管内に複数回出射される超音波信号に対する反射信号同士の相関演算を行ない、流体の径方向の位置毎の流速候補を算出する流速候補算出部と、配管の上流側から下流側に超音波信号が伝搬する時間と、下流側から上流側に超音波信号が伝搬する時間との時間差に基づいて流体の平均流速を算出する透過法流速算出部と、配管内の所定の位置を基準位置として、平均流速に基づいて基準位置における流速を、流速候補の中から同定する基準位置流速同定部と、流速が同定された位置に隣接する位置を対象位置とし、対象位置における流速を、隣接する位置の同定された流速に基づいて流速候補の中から同定する対象位置流速同定部とを備えた超音波流量計。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が流れる配管内に複数回出射される超音波信号に対する反射信号同士の相関演算を行ない、前記流体の径方向の位置毎の流速候補を算出する流速候補算出部と、
前記配管の上流側から下流側に超音波信号が伝搬する時間と、下流側から上流側に超音波信号が伝搬する時間との時間差に基づいて前記流体の平均流速を算出する透過法流速算出部と、
前記配管内の所定の位置を基準位置として、前記平均流速に基づいて前記基準位置における流速を、前記流速候補の中から同定する基準位置流速同定部と、
流速が同定された位置に隣接する位置を対象位置とし、対象位置における流速を、前記隣接する位置の同定された流速に基づいて前記流速候補の中から同定する対象位置流速同定部とを備えることを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】
前記対象位置流速同定部は、対象位置の流速を同定する処理を、対象位置を変化させながら、繰り返し行なう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】
前記同定された各位置の流速に基づいて、前記流体の流量を算出する流量算出部をさらに備えたことを特徴とする請求項２に記載の超音波流量計。
【請求項４】
前記流量算出部が算出した流量と、前記透過法流速算出部が算出した平均流速に基づいて算出された流量とを比較することで、流量計測の検証を行なう流量検証部をさらに備えたことを特徴とする請求項３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、超音波流量計に係り、特に、反射相関方式の超音波流量計において、流速演算の精度を高めるための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波を利用して配管内を流れる流体の流量を計測する超音波流量計の計測方式の１つとして、反射相関方式が知られている。反射相関方式の超音波流量計では、流体が流れる配管に傾斜して取り付けられたトランスデューサから管内に向けて、例えば、図７（ａ）に示すような超音波信号を２回出力し、流体内を流体とともに移動する気泡やパーティクル等の超音波反射体からの反射信号を受信する。
【０００３】
そして、受信した２個の反射信号について一方を参照波、他方を探索波として相関演算を行ない、相関係数の高い波形を同一の超音波反射体からの反射信号であるとみなして、その伝搬時間と時間差とに基づいて超音波反射体の位置と速度とを算出することで、配管内の流速分布（流速プロファイル）を求め、流量を算出する。
【０００４】
例えば、図７（ｂ）に示すような、同一の超音波反射体からの反射信号とみなされた１回目の出力信号に対する反射信号Ｔ１と２回目の出力信号に対する反射信号Ｔ２において、時間差ΔＴは、１回目の信号出力と２回目の信号出力との間に進んだ超音波反射体の距離、すなわち、流体の速度に対応し、時間Ｔｄは、超音波反射体のトランスデューサからの距離、すなわち、超音波反射体の配管内の径方向の位置に対応する。超音波反射体による反射は、配管内の各所で起こるため、配管内の径方向について、図７（ｃ）に示すような流速プロファイルを得ることができる。この流速プロファイルを配管の断面積に沿って積分することで流体の流量が算出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−３３３２６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図７（ｂ）に示したように、相関演算を行なう反射信号の波形は、一般的に、サイン波形状の周期性を持った波となる。このため、参照波と探索波の相関係数を計算すると、相関係数の多峰性と呼ばれるように、周期的に高い相関係数が現れることになる。この周期を流速に換算すると、流速Ｖｃの間隔で相関係数のピークが現れる。なお、流速Ｖｃは、Ｖｃ＝Ｃ／（２×ｓｉｎθ×Ｔｉ×ｆ）で算出することができる。ただし、Ｔｉは、超音波信号の出力間隔、ｆは、超音波パルスの周波数、θは超音波信号の入射角、Ｃは音速である。
【０００７】
参照波と探索波の類似性が高ければ、図８（ａ）に示すように、正しい流速に対応する相関係数が突出して大きくなり、明確に流速を同定することができる。しかしながら、ノイズや他の超音波反射体による外乱等で、図８（ｂ）に示すように、相関係数ピークの大きさに明確な違いが見られなくなる場合がある。このような場合には、例えば、真の流速Ｖ０に対して、Ｖ０±ｎＶｃを流速値と誤検出してしまうことがあり、その結果、図９に示すような誤った流速プロファイルが作成され、流量演算に大きな誤差を生じさせてしまうおそれがある。
【０００８】
そこで、本発明は、反射相関方式の超音波流量計において、流量演算の精度を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明の超音波流量計は、流体が流れる配管内に複数回出射される超音波信号に対する反射信号同士の相関演算を行ない、前記流体の径方向の位置毎の流速候補を算出する流速候補算出部と、前記配管の上流側から下流側に超音波信号が伝搬する時間と、下流側から上流側に超音波信号が伝搬する時間との時間差に基づいて前記流体の平均流速を算出する透過法流速算出部と、前記配管内の所定の位置を基準位置として、前記平均流速に基づいて前記基準位置における流速を、前記流速候補の中から同定する基準位置流速同定部と、流速が同定された位置に隣接する位置を対象位置とし、対象位置における流速を、前記隣接する位置の同定された流速に基づいて前記流速候補の中から同定する対象位置流速同定部とを備えることを特徴とする。
【００１０】
ここで、前記対象位置流速同定部は、対象位置の流速を同定する処理を、対象位置を変化させながら、繰り返し行なうことができる。
【００１１】
このとき、前記同定された各位置の流速に基づいて、前記流体の流量を算出する流量算出部をさらに備えることができる。
【００１２】
また、前記流量算出部が算出した流量と、前記透過法流速算出部が算出した平均流速に基づいて算出された流量とを比較することで、流量計測の検証を行なう流量検証部をさらに備えるようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、反射相関方式の超音波流量計において、流量演算の精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施形態の超音波流量計の構成を示すブロック図である。
【図２】反射相関法式で得られる流速分布と透過方式によって得られる平均流速との関係を示す図である。
【図３】乱れた流速分布と透過方式によって得られる平均流速との関係を示す図である。
【図４】本実施形態の超音波流量計の処理動作を説明するフローチャートである。
【図５】対象位置の流速を同定する様子を示す図である。
【図６】作成された流速プロファイルの一例を示す図である。
【図７】送信超音波パルスと、反射信号と、流速プロファイルについて説明する図である。
【図８】相関係数の多峰性について説明する図である。
【図９】誤った流速プロファイルの例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態の超音波流量計の構成を示すブロック図である。本図に示すように、配管２００内を流れる流体の流量を計測する超音波流量計１００は、第１トランスデューサ１０１、第２トランスデューサ、超音波信号送信部１１０、受信信号処理部１２０、透過法流速算出部１３０、反射相関法流速候補算出部１４０、基準位置流速同定部１５０、対象位置流速同定部１６０、流速プロファイル作成部１７０、流量算出部１８０、流量検証部１９０を備えている。
【００１６】
超音波流量計１００の第１トランスデューサ１０１、第２トランスデューサを除く各機能部は、例えば、ＣＰＵ、メモリ等を備えた汎用、あるいは特定用途の情報処理装置等を用いて構成することができる。
【００１７】
第１トランスデューサ１０１、第２トランスデューサ１０２は、超音波信号送信部１１０の制御に従って超音波信号を出射するとともに、超音波信号を受信して受信信号処理部１２０に出力する。本実施形態では、反射相関方式の超音波流量計測に、透過方式の超音波流量計測を組み合わせるため、配管２００に対向配置された一対のトランスデューサを用いる。
【００１８】
超音波信号送信部１１０は、第１トランスデューサ１０１、第２トランスデューサ１０２に所定のタイミングでトリガ信号を出力し、超音波信号を出力させる。受信信号処理部１２０は、第１トランスデューサ１０１、第２トランスデューサ１０２が受信した反射信号を入力し、デジタルサンプリング、フィルタリング、メモリへの格納等の処理を行なう。
【００１９】
透過法流速算出部１３０は、透過方式を用いた流速算出を行なう。ここで、透過方式の流速算出は、上流側から下流側に超音波信号が伝搬する時間と、下流側から上流側に超音波信号が伝搬する時間との時間差に基づいて流体の流速を測定する方式であり、得られる流速は、超音波信号の経路における流速の平均値となる。このため、反射相関方式で得られる流速分布と透過方式によって得られる平均流速は、例えば、図２に示すような関係となる。
【００２０】
図１の説明に戻って、反射相関法流速候補算出部１４０は、反射相関方式を用いて、各位置における流速の候補を算出する。すなわち、２回の超音波信号出力によって得られる２つの反射信号の相関演算を行ない、相関係数の多峰性によって現れる相関係数の高い複数の流速をそれぞれの位置における流速候補として取り扱う。ただし、超音波信号の出力は、３回以上行なうようにしてもよい。
【００２１】
基準位置流速同定部１５０は、透過法流速算出部１３０が算出した平均流速を基準にして、配管２００内の基準位置として定められる位置における流速を、基準位置の流速候補の中から同定する。
【００２２】
一般に、流速分布は、指数則や対数則で表現される形状となり、図２に示したように配管２００の中央部で最も流速が速く、壁に近づくに従って流速が下がっていく。ところが、レイノルズ数や上流にあるエルボ、バルブ等の影響による偏流や旋回流等によって、図３に示すような乱れた流速分布となる場合がある。
【００２３】
しかしながら、図２、図３に示すように、配管２００の半径をｒとした場合、配管２００の中心からおよそ０．６ｒの位置における流速は、流速分布の形状にかかわらず、一般的に、平均流速に近い値となることが知られている。
【００２４】
そこで、本実施形態では、配管２００の中心から０．６ｒの位置を基準位置として定め、基準位置における流速候補の中で最も平均流速に近い流速を、基準位置の流速として同定する。
【００２５】
ただし、基準位置は、配管２００の中心から０．６ｒの位置に限られず、配管２００や流体の性質等に応じて最適な位置を設定することができる。また、基準位置を複数箇所設けるようにしてもよい。さらには、透過法流速算出部１３０が算出した平均流速に所定の係数を乗じた値に最も近い流速候補を、基準位置における流速と同定するようにしてもよい。
【００２６】
図１の説明に戻って、対象位置流速同定部１６０は、流速が同定された位置に隣接する位置を対象位置とし、対象位置における流速を、対象位置の流速候補の中から同定する処理を、対象位置を移動させながら繰り返すことで、すべての位置における流速の同定を行なう。
【００２７】
すなわち、隣接する位置間では、一般に、流速が急激に変化することはないため、流速が同定された位置（「参照位置」と称する）に隣接する対象位置の流速は、対象位置の流速候補のうち参照位置の流速に最も近い流速で同定する。
【００２８】
この際に、例えば、隣接する位置の流速差は、流速Ｖｃの０．５倍以内に収まるというような仮定を設け、流速同定の条件の１つとして採用するようにしてもよい。
【００２９】
また、流速候補の相関係数の大小を考慮して流速の同定を行なうようにしてもよい。例えば、流速候補の相関係数差が所定値以上の場合は、最も相関係数の大きな流速候補を流速として同定し、流速候補の相関係数差が所定値未満の場合に、隣接位置の流速に基づく流速同定を行なうようにしてもよい。
【００３０】
流速プロファイル作成部１７０は、基準位置流速同定部１５０および対象位置流速同定部１６０が同定した各位置における流速に基づいて流速プロファイルを作成する。流量算出部１８０は、流速プロファイルに基づいて、配管２００を流れる流体の流量を算出する。
【００３１】
流量検証部１９０は、流量算出部１８０が算出した流量と、透過法流速算出部１３０が計測した流速に基づく流量とを比較することで、作成された流速プロファイルの検証を行なう。例えば、両者が乖離している場合には、流速プロファイルに誤計測が含まれていると判定し、得られた流量を計測結果に反映させないようにすることができる。
【００３２】
次に、本実施形態における超音波流量計１００の処理動作について図４のフローチャートを参照して説明する。
【００３３】
本実施形態では、まず透過法を利用して流体の平均流速を算出する（Ｓ１０１）。透過法を利用した流体の平均流速算出は、第１トランスデューサ１０１から第２トランスデューサ１０２に超音波信号が伝播する時間と、第２トランスデューサ１０２から第１トランスデューサ１０１に超音波信号が伝播する時間との時間差に基づいて算出することができる。
【００３４】
次いで、第１トランスデューサ１０１を用いて、反射相関法を利用した流速計測を行なうことで、配管２００内の各位置における流速候補を算出する（Ｓ１０２）。ただし、透過法を利用した平均流速の算出と、反射相関法を利用した流速計測の順番は逆であってもかまわない。
【００３５】
透過法を利用した平均流速算出および反射相関法による流速候補算出を終えると、基準位置における流速を同定する（Ｓ１０３）。基準位置における流速の同定は、基準位置を、例えば、配管２００の中心から０．６ｒの位置として、基準位置における流速候補のうち、最も平均流速に近い流速を抽出することで行なうことができる。
【００３６】
次いで、流速が同定された位置に隣接する位置を対象位置として設定し（Ｓ１０４）、同定された流速に最も近い流速候補を抽出することで、対象位置の流速を同定する（Ｓ１０５）。上述のように、この際に、他の条件、例えば、隣接位置における流速差に上限を設けたり、流速候補の相関係数等を考慮するようにしてもよい。
【００３７】
以上の処理（Ｓ１０４）、処理（Ｓ１０５）をすべての位置における流速の同定が終了するまで繰り返す（Ｓ１０６）。
【００３８】
図５は、対象位置の流速を同定する様子を示す図である。本図の例では、位置ｎを基準位置としており、基準位置ｎの流速Ｖｎがまず同定される。次に、位置ｎに隣接する位置ｎ−１、位置ｎ＋１における流速Ｖｎ−１、流速Ｖｎ＋１が、位置ｎで同定された流速Ｖｎに基づいて同定される。その後は、位置ｎ＋２を対象位置とし、位置ｎ＋１で同定された流速Ｖｎ＋１に基づいて位置ｎ＋２における流速Ｖｎ＋２が同定される。以下同様にして、位置ｎ＋４まで順次流速が同定されることになる。
【００３９】
すべての位置における流速が同定されると、流速プロファイル作成部１７０が流速プロファイルを作成する（Ｓ１０７）。図６は、上述の手順によって作成された流速プロファイルの一例を示す図である。
【００４０】
流量プロファイルが作成されると、流量算出部１８０が、配管２００を流れる流体の流量を算出する（Ｓ１０８）。そして、流量検証部１９０が、流量算出部１８０が算出した流量と、処理（Ｓ１０１）で得られた平均流速に基づく流量とを比較することで、流速プロファイルの検証を行なう（Ｓ１０７）。
【００４１】
なお、超音波流量計１００の運用時においては、上述の一連の流量計測手順の一部または全部を繰り返し行なって平均化することで、最終的な流量の計測結果とすることができる。例えば、複数回の流速計測行なって、異常値を排除した上で、複数回の流速計測結果に基づいて流速プロファイルを作成して、流量を算出するようにしてもよい。
【００４２】
以上説明したように、本実施形態に係る超音波流量計は、透過方式を用いて得られた平均流速を利用して、反射相関法における流速分布を決定するため、流速分布の誤計測を防ぐことができ、流量演算の精度を向上させることができる。
【符号の説明】
【００４３】
１００…超音波流量計
１０１…第１トランスデューサ
１０２…第２トランスデューサ
１１０…超音波信号送信部
１２０…受信信号処理部
１３０…透過法流速算出部
１４０…反射相関法流速候補算出部
１５０…基準位置流速同定部
１６０…対象位置流速同定部
１７０…流速プロファイル作成部
１８０…流量算出部
１９０…流量検証部
２００…配管
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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