(57)【要約】【課題】新規な超音波流量計測装置を提供することを目的とする。【解決手段】超音波流量計測装置は、流路を流れる流体の流量を、超音波を利用して計測する装置である。ここで、前記流路に対して非接触に設けられた超音波トランスデューサ１，２を具備している。また、超音波トランスデューサ１，２の受信信号から伝搬時間差を算出し、前記伝搬時間差から平均流量を算出する。また、前記伝搬時間差の算出方式は、相互相関関数による算出方式、位相差検出による算出方式、またはゼロクロスによる算出方式がある。また、超音波トランスデューサ１，２の受信信号のうち、流体を透過する信号を特定することが好ましい。【選択図】図１
2013185891.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路を流れる流体の流量を、超音波を利用して計測する超音波流量計測装置において、
前記流路に対して非接触に設けられた超音波トランスデューサを具備したことを特徴とする超音波流量計測装置。
【請求項２】
超音波トランスデューサの受信信号から伝搬時間差を算出し、前記伝搬時間差から平均流量を算出し、
前記伝搬時間差の算出方式は、相互相関関数による算出方式、位相差検出による算出方式、またはゼロクロスによる算出方式がある
ことを特徴とする請求項１記載の超音波流量計測装置。
【請求項３】
超音波トランスデューサの受信信号のうち、流体を透過する信号を特定する
ことを特徴とする請求項２記載の超音波流量計測装置。
【請求項４】
流路を流れる流体の流量を、超音波を利用して計測する超音波流量計測方法において、
前記流路に対して非接触に設けられた超音波トランスデューサを用いることを特徴とする超音波流量計測方法。
【請求項５】
超音波トランスデューサの受信信号から伝搬時間差を算出し、前記伝搬時間差から平均流量を算出し、
前記伝搬時間差の算出方式は、相互相関関数による算出方式、位相差検出による算出方式、またはゼロクロスによる算出方式がある
ことを特徴とする請求項４記載の超音波流量計測方法。
【請求項６】
超音波トランスデューサの受信信号のうち、流体を透過する信号を特定する
ことを特徴とする請求項５記載の超音波流量計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、新規な超音波流量計測装置に関する。また、本発明は、前記超音波流量計測装置を用いる新規な超音波流量計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、超音波の伝搬時間差や位相差を用いた流量計測法が報告されている（例えば、非特許文献１および非特許文献２参照）。この超音波流量計測装置は配管にトランスデューサを接触させ、流体に超音波を伝搬させることにより流量を計測するものである。
【０００３】
超音波の伝搬時間差や位相差を用いた流量計測法では、配管に２つの超音波トランスデューサを設置する。片側の超音波トランスデューサから送信された超音波は配管、流体、配管と伝搬し、もう一方の超音波トラスデューサで受信される。この時の超音波の伝搬時間を計測する。同様に超音波を送受信する超音波トランスデューサを入替え、伝搬時間計測を行う。超音波は、流体を伝搬するときに流速の影響を受けるため、伝搬時間には時間差が存在し、これを計測することにより、流量計測を行うことができる。
【０００４】
このような、伝搬時間差法や位相差法では、最小２回の送受信で配管内の流量計測を行うことができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】実吉純一、菊池喜充、熊本乙彦、“超音波技術便覧”、1960、日刊工業出版、p.746-748.
【非特許文献２】R.W. Miller, “Flow Measurement Engineering Handbook”, McGraw-Hill, 1989, New York, ch. 3.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した非特許文献１および非特許文献２の方法では、配管に直接、上記超音波トランスデューサを接触させる必要性があり、高温配管での流量計測、また化学物質、放射性物質を含む流れなどの過酷環境下では計測が困難であった。
【０００７】
そのため、上述した課題を解決する、新規な超音波流量計測装置および超音波流量計測方法の開発が望まれている。
【０００８】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、新規な超音波流量計測装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、前記超音波流量計測装置を用いる新規な超音波流量計測方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の超音波流量計測装置は、流路を流れる流体の流量を、超音波を利用して計測する超音波流量計測装置において、前記流路に対して非接触に設けられた超音波トランスデューサを具備したことを特徴とする。
【００１０】
ここで、限定されるわけではないが、超音波トランスデューサの受信信号から伝搬時間差を算出し、前記伝搬時間差から平均流量を算出し、前記伝搬時間差の算出方式は、相互相関関数による算出方式、位相差検出による算出方式、またはゼロクロスによる算出方式があることが好ましい。また、限定されるわけではないが、超音波トランスデューサの受信信号のうち、流体を透過する信号を特定することが好ましい。
【００１１】
本発明の超音波流量計測方法は、流路を流れる流体の流量を、超音波を利用して計測する超音波流量計測方法において、前記流路に対して非接触に設けられた超音波トランスデューサを用いることを特徴とする。
【００１２】
ここで、限定されるわけではないが、超音波トランスデューサの受信信号から伝搬時間差を算出し、前記伝搬時間差から平均流量を算出し、前記伝搬時間差の算出方式は、相互相関関数による算出方式、位相差検出による算出方式、またはゼロクロスによる算出方式があることが好ましい。また、限定されるわけではないが、超音波トランスデューサの受信信号のうち、流体を透過する信号を特定することが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、以下に記載されるような効果を奏する。
【００１４】
本発明の超音波流量計測装置は、流路を流れる流体の流量を、超音波を利用して計測する超音波流量計測装置において、前記流路に対して非接触に設けられた超音波トランスデューサを具備したので、新規な超音波流量計測装置を提供することができる。
【００１５】
本発明の超音波流量計測方法は、流路を流れる流体の流量を、超音波を利用して計測する超音波流量計測方法において、前記流路に対して非接触に設けられた超音波トランスデューサを用いるので、新規な超音波流量計測方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】超音波を用いた流量測定装置の一実施例の説明図である。
【図２】超音波を用いた流量計測装置の一実施例を示す概略構成の説明図である。
【図３】超音波を用いた流量測定装置の一実施例の説明図である。
【図４】超音波を用いた流量測定方法の一実施例を示す説明図である。
【図５】超音波を用いた流量測定方法の一実施例を示す説明図である。
【図６】超音波を用いた流量測定方法の一実施例を示す説明図である。
【図７】超音波を用いた流量測定装置および流量測定方法の一実施例の説明図である。
【図８】超音波を用いた流量測定装置および流量測定方法の一実施例の結果図である。
【図９】超音波を用いた流量測定装置および流量測定方法の一実施例の結果図である。
【図１０】超音波を用いた流量測定装置および流量測定方法の一実施例の結果図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための形態について説明する。
まず、超音波流量計測装置にかかる発明を実施するための形態について説明する。
【００１８】
超音波流量計測装置は、流路を流れる流体の流量を、超音波を利用して計測する超音波流量計測装置において、前記流路に対して非接触に設けられた超音波トランスデューサを具備したものである。
【００１９】
本発明では図１に示すように、超音波トランスデューサＡ１と超音波トランスデューサＢ２は、空気中に固定し、空気を介して、配管３の内部にある流体に超音波を送受信する。
ここで、「超音波トランスデューサの設置間隔」とは、図１に示す超音波トランスデューサＡ１の振動面中心と配管表面の直線距離L１、および超音波トランスデューサＢ２の振動面中心と配管表面の直線距離L２である。また、「超音波トランスデューサの設置角」とは、流体の平均流速の法線方向と超音波の進行方向がなす角であり、直交する時をゼロとして定義された角度である。
【００２０】
空中超音波流量計測装置は図２に示すように測定部４および制御部５から成り立っている。超音波トランスデューサＡ１に電圧信号が印加され、空気、配管、流れ場と伝搬した超音波を超音波トランスデューサＢ２で受信する。また、超音波トランスデューサＢ２に電圧信号が印加され、空気、配管、流れ場と伝搬した超音波を超音波トランスデューサＡ１で受信する。計測器制御装置６により、信号発生器７での超音波トランスデューサＡ１、超音波トランスデューサＢ２への電圧印加を制御する。信号切替器８において、信号を送信する超音波トランスデューサと信号を受信するトランスデューサの切替を行う。信号増幅器９では受信信号の増幅を行う。信号受信器１０において電気信号受信を制御する。AD変換器１１においては、信号受信器９から得られた電気信号を入力し、デジタル変換し演算装置１２に出力することができる。演算装置１２では、超音波トランスデューサの設置角、設置間隔、計測対象の情報、送信信号情報を入力することができる。これらの情報から流れ場の流量を算出する。
【００２１】
超音波トランスデューサにおいて、その中心周波数は数百KHz〜数MHzであることが好ましい。中心周波数が数百KHz以上であると、環境雑音の影響が低下するという利点がある。中心周波数が数MHz以下であると、超音波の空気中での減衰率が低下するという利点がある。
【００２２】
配管を対象とする超音波流量計測装置について説明したが、これに限定されるわけではない。超音波流量計測装置は、配管、開水路、矩形流路などを含む全ての流路における流量を計測することができる。
【００２３】
図３に示すように開水路では、超音波トランスデューサＡ１と超音波トランスデューサＢ２を自由表面１４の上部、空気中に固定する。超音波トランスデューサＡ１は流体内へ超音波を入射させる。入射した超音波は開水路底面１５において反射し、流体、空気を伝搬し超音波トランスデューサＢ２で受信される。開水路では、流体に接触することなく流量計測を行うことが可能である。また、開水路側面に超音波トランスデューサを設置することにより図１に示した方式による計測も可能である。
【００２４】
超音波流量計測の対象となる流路の壁を構成する材料（以下「流路壁材」という。）の材質としては、アクリル樹脂などの合成樹脂、鉄鋼、銅、アルミニウムなどの金属などが挙げられる。
【００２５】
超音波流量計測の対象となる流体の材質としては、水、アルコール、オイル、液体金属、ガスなどを採用することができる。 
【００２６】
超音波流量計測装置の用途としては、高温配管での流量計測、また化学物質、放射性物質を含む流れなどの過酷環境下における流量計測を挙げることができる。
【００２７】
超音波流量計測装置は、測定部と制御部が分かれているので、測定部の遠隔操作が可能である。
【００２８】
以上のことから、本発明を実施するための形態によれば、配管などに非接触で、平均流量を算出することができる。特に、高温配管などの直接トランスデューサが接触不可能な環境下においても平均流量を算出することができる。
【００２９】
なお、本発明は上述の発明を実施するための形態に限らず本発明の要旨を逸脱することなくその他種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【００３０】
つぎに、前記超音波流量計測装置を用いる超音波流量計測方法にかかる発明を実施するための形態について説明する。
【００３１】
超音波流量計測方法は、流路を流れる流体の流量を、超音波を利用して計測する超音波流量計測方法において、前記流路に対して非接触に設けられた超音波トランスデューサを用いる方法である。
【００３２】
図４は、本発明の超音波流量計測方法を説明するものである。Ｓ１により測定が開始されると、Ｓ３に示すように超音波トランスデューサＡに信号を送信する。Ｓ４に示すように超音波トランスデューサＢで超音波を受信する。Ｓ５に示すように受信した信号の保存を行う。Ｓ６に示すように送信する超音波トランスデューサと受信する超音波トランスデューサの切り替えを行う。Ｓ７に示すように超音波トランスデューサＢに信号を送信する。Ｓ８に示すように超音波トランスデューサＡで超音波を受信する。Ｓ９に示すように受信した信号の保存を行う。送受信する超音波トランスデューサの切り替えを行い、十分な回数の測定を行うまで、Ｓ２に戻り、上記Ｓ３からＳ１０までの過程を繰り返す。
【００３３】
S１１に示すように、取得した２つの受信信号から伝搬時間差を算出する。S１２に示すように計測開始時に、超音波トランスデューサの設置角、計測対象流体中での音速、空気中での音速、流路径を演算装置に入力する。Ｓ１３に示すように、S１１で入力されたデータを基にして伝搬時間差から平均流速を算出し、さらに平均流量、標準偏差を算出する。Ｓ１４に示すように得られた流量データおよび統計処理結果を表示装置に表示する。Ｓ１５で終了する。
【００３４】
図４におけるＳ１１に示す伝搬時間差の算出方式としては、相互相関関数による算出方式と、位相差検出による算出方式がある。この他にもゼロクロスによる算出方式などがある。
【００３５】
相互相関関数により伝搬時間差を算出する方法について説明する。図４におけるＳ１１では、図５に示すように計測した超音波信号から相互相関関数により、伝搬時間差を算出する。Ｓ１６に示すように上流側の超音波トランスデューサＡで受信した信号を取得する。Ｓ１７に示すように下流側のトランスデューサＢで受信した信号を取得する。Ｓ１８、Ｓ１９に示すように取得した複数の信号を平均化し、ノイズの除去を行う。Ｓ２０、Ｓ２１に示すように平均処理を行なった信号から、配管内の流体を透過する信号を特定する。特定した信号部分の切り出しを行う。Ｓ２２に示すように切り出した信号から相互相関関数を作成する。Ｓ２３に示すように作成した相互相関関数の最大値を検索する。Ｓ２４に示すように検索した最大値近傍でのデータをガウス関数による補間処理を行い、補間後の最大値を決定する。Ｓ２５に示すように補間後の最大値をとる時間から、伝搬時間差を算出する。
【００３６】
位相差検出により伝搬時間差を算出する方法について説明する。図４におけるＳ１１では、図６に示すように計測した超音波信号から位相差検出により、伝搬時間差を算出する。Ｓ１６に示すように上流側の超音波トランスデューサＡで受信した信号を取得する。Ｓ１７に示すように下流側のトランスデューサＢで受信した信号を取得する。Ｓ２６、Ｓ２７に示すように取得した複数の信号を平均化し、ノイズの除去を行う。Ｓ２８、Ｓ２９に示すように平均処理を行なった信号から、配管内の流体を透過する信号を特定する。特定した信号部分の切り出しを行う。Ｓ３０、Ｓ３１に示すように切り出した信号を高速フーリエ変換し、位相を検出する。Ｓ３２に示すように検出した位相の差分を計算する。Ｓ３３に示すように算出した位相差を伝搬時間差に換算する。
【００３７】
また、図４におけるＳ１１では、計測した超音波信号から、ゼロクロスによる算出方式を用いて伝搬時間差を算出できる[1]。
【００３８】
図５、６におけるS２０，S２１，S２８，S２９に示す配管を透過する超音波による信号の特定方法は、例えば、空気中の音速、流体中での音速を基に、超音波トランスデューサＡから超音波が発信され、空気、配管、流体、配管、空気を伝搬し、超音波トランスデューサＢに受信される時間を推定する事により決定できる。また、配管内に超音波を遮る遮蔽物を設け、遮蔽物の有無による受信信号の変化を観測するなどの方法がある。
【００３９】
配管を透過する超音波を決定する事により、流量計測が可能となっている。配管を透過する超音波を決定しない場合、配管表面を伝搬するガイド波による信号が混在している。このとき。ガイド波は配管表面を伝搬しているため、流速の影響を受けず、伝搬時間差成分を持たない。そのため、信号処理を行なったとき、ガイド波による受信信号の影響により、伝搬時間差を検出することができない。
【００４０】
以上のことから、本発明を実施するための形態によれば、配管などに非接触で、平均流量を算出することができる。特に、高温配管などの直接トランスデューサが接触不可能な環境下においても平均流量を算出することができる。
【００４１】
なお、本発明は上述の発明を実施するための形態に限らず本発明の要旨を逸脱することなくその他種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【実施例】
【００４２】
つぎに、本発明にかかる実施例について具体的に説明する。ただし、本発明はこれら実施例に限定されるものではないことはもちろんである。
【００４３】
ここでは比較的小径の配管における平均流量を算出する方法についての例を示す。
【００４４】
本実施例では、図２の測定部および図７の装置を用いた。図７に示すように、実験装置は、水を循環させ垂直下降流を生み出す装置となっている。水は下部のストレージタンク１６に溜められ、渦巻きポンプ１７により、最上部のオーバーフロータンク１８に揚げられる。オーバーフロータンクは、ポンプの脈動を消し、テスト配管の水圧を一定に保つために設置されている。オーバーフロータンクにためられた水はオーバーフロータンク下部に取り付けられたバルブ１９、整流器２０を通った後、試験部２１へと流入する。流量はバルブ１９により調整する。試験部２１を流れた水は下部ストレージタンク１６に流れ込み循環する構造となっている。計測は伝搬時間差式超音波流量計２４と本発明の超音波流量計２２により行った。
【００４５】
流体としては水を採用した。計測対象の配管は、外径が２５ｍｍであり、管厚さが２.３ｍｍである。ここで、配管の材質はアクリル樹脂である。信号発生器、信号受信器として市販の計測装置（ジャパン・プローブ社製、JPR-10CN）を用いた。超音波トランスデューサは市販の空中超音波用トランスデューサ（ジャンパン・プローブ社製、エアプローブ0.4K20×14N、中心周波数４００KHz、素子サイズ２０ｍｍ×１４ｍｍ）を用いた。超音波トランスデューサの設置間隔はそれぞれL1＝１０ｍｍ、L2＝１０ｍｍである。超音波トランスデューサの設置角は５°である。
【００４６】
信号発生器によって超音波トランスデューサAに電気信号が送信される。電気信号は超音波に変換され、空中、配管、流体中を伝搬し、再び配管、空気中を伝搬した後に超音波トランスデューサBによって受信し、電気信号に変換され信号増幅器により増幅し、信号受信器で受信する。受信した信号はAD変換器によりデジタル変換され演算装置に蓄積される。信号切替器により送受信トランスデューサを入替え、同様に受信信号を蓄積する。
【００４７】
空中から超音波を入射したとき、空気と配管の界面において超音波は屈折する。その屈折角φは、入射角θと空気中の音速Caと水中の音速Cｗにより与えられ数１により算出することができる。流速と伝搬時間差の関係は数２により与えられる。いま、数１よりφを求めることが可能であるので、入射角θと空気中の音速Caと水中の音速Cｗ、配管径Dがわかれば、計測された受信信号から伝搬時間差Δｔを算出することによって、流速Vを算出することができる。
【００４８】
【数１】
2013185891.tif 000003
【００４９】
【数２】
2013185891.tif 000004
【００５０】
平均流速に配管断面積を乗ずることにより平均流量が得られる。
【００５１】
本発明では、空気中に超音波を伝搬させるため、配管周りの空気の流れの影響を受け、計測誤差が生じる。配管周りの空気の流れが定常的でなく、ランダムな流れであれば複数回の計測を行い、統計処理を行うことにより、空気の流れの影響を除くことができる。統計処理としては、平均流速を複数回計測し、平均値および標準偏差を計算するなどの方法がある。
【００５２】
配管内の流体を透過する波形の決定方法として、配管内に鋼板を挿入して信号の変化を観測した。鋼板(SUS304)は厚さ３ｍｍである。図７に示すように受信される信号には、配管内の流体を透過する超音波による信号以外にも配管表面を伝搬する超音波による信号が存在する。図８に示すように配管内に鋼板を挿入したとき、受信信号の変化から透過波による信号を特定することができる。
【００５３】
相互相関関数による伝搬時間差算出方式では、受信信号をフィルタリングした後に2つの受信信号から相互相関関数を計算し、関数のピークにから伝搬時間差を算出する。データは離散化されているため、相関関数も離散化される。そこで、ピーク前後１点ずつ計３点のデータに対してガウス関数でフィッテイングを行い、より正確に伝搬時間差を求めるアルゴリズムを組み込んでいる。相互相関関数は２つの信号、配列の類似性を確認するために使われる。
【００５４】
本実施例の超音波流量計測装置での相互相関関数方式による計測を行なった。計測対象の配管（外径２５ｍｍ、管厚さ２.３ｍｍ）において、市販されている伝搬時間差式超音波流量計（TOKIMEC社製、UFP-10）と同時計測を行った際、よく一致することが確認できた。
【００５５】
位相差検出による伝搬時間差算出方式では、受信波形をフーリエ変換し、スペクトル分析する。このとき、送信した超音波の周波数での位相を算出する。2つの受信波形の位相差を取り、位相を時間領域に換算する事によって伝搬時間を算出するアルゴリズムになっている。周波数解析を行うため、ノイズに対して強い。また、デジタイザのサンプリングレートに依存しないため、サンプリングレートを落としての計測が可能である。
【００５６】
図１０は、本実施例の超音波流量計測装置での位相差検出方式による計測結果を示している。計測対象の配管（外径２５ｍｍ、管厚さ２.３ｍｍ）において、市販されている伝搬時間差式超音波流量計（TOKIMEC社製、UFP-10）と同時計測を行った際の平均流量と標準偏差を示す。横軸に伝搬時間差式超音波流量計の指示値、縦軸に本実施例の超音波流量計の指示値を示す。伝搬時間差式超音波流量計の指示値に対して本実施例の超音波流量計の指示値が線形性を持つことが示されており、流量を計測できることがわかる。
［参考文献］
[1] 特開２００８−２３２７５０号公報
【産業上の利用可能性】
【００５７】
測定の対象は、小径配管における流量であることについて述べてきたが、これらの流路に限定されず、高温流体が流れる配管における計測や、化学物質、放射性物質を含む流れにおいての適応が可能である。
【符号の説明】
【００５８】
１  トランスデューサＡ、２  トランスデューサＢ、３  配管、４  測定部、５  制御部、６  計測器制御装置、７  信号発生器、８  信号切替器、９  信号増幅器、１０  信号受信器、１１  AD変換器、１２  演算装置、１３表示装置、１４  自由表面、１５  開水路底面、１６  ストレージタンク、１７  渦巻ポンプ、１８  オーバーフロータンク、１９  バルブ、２０  整流器、２１  試験部、２２  超音波流量計、２３  トランスデューサ、２４  超音波流量計
【図１】
2013185891.tif 000005
【図２】
2013185891.tif 000006
【図３】
2013185891.tif 000007
【図４】
2013185891.tif 000008
【図５】
2013185891.tif 000009
【図６】
2013185891.tif 000010
【図７】
2013185891.tif 000011
【図８】
2013185891.tif 000012
【図９】
2013185891.tif 000013
【図１０】
2013185891.tif 000014