(57)【要約】【課題】汎用性に優れ、異なる計測条件下においても、配管内を流れる気体の流量を計測できる流量計測装置および流量計測方法を提供する。【解決手段】本発明の流量計測装置は、配管の内部を流れる気体の流量を計測する流量計測装置であって、気体の流量と、流量に対応した超音波の音響強度分布の空間移動量と、の関係を規定したデータを保持するデータ保持部と、配管の表面に接触した状態で、空間移動量を計測する超音波トランスデューサと、超音波トランスデューサが実測した実測空間移動量とデータとに基づいて、気体の流量を算出する流量算出部と、を備えることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
配管の内部を流れる気体の流量を計測する流量計測装置であって、
前記気体の流量と、前記流量に対応した超音波の音響強度分布の空間移動量と、の関係を規定したデータを保持するデータ保持部と、
前記配管の表面に接触した状態で、前記空間移動量を計測する超音波トランスデューサと、
前記超音波トランスデューサが実測した実測空間移動量と前記データとに基づいて、前記気体の流量を算出する流量算出部と、を備える
ことを特徴とする流量計測装置。
【請求項２】
前記超音波トランスデューサは、前記配管の内部に向けて前記超音波を発振する超音波発振部と、前記超音波を受信する超音波受信部とを含み、少なくとも前記超音波発振部が前記超音波を前記配管の中心に収束させる収束手段を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の流量計測装置。
【請求項３】
前記超音波発振部および前記超音波受信部の少なくとも一方を冷却する冷却装置をさらに備える
ことを特徴とする請求項２に記載の流量計測装置。
【請求項４】
前記収束手段は、前記超音波の発振面が前記配管の外面に対応した曲率を有する
ことを特徴とする請求項２又は３に記載の流量計測装置。
【請求項５】
前記超音波受信部が第２の収束手段を有し、
前記第２の収束手段は、前記超音波の受信面が前記配管の外面に対応した曲率を有する
ことを特徴とする請求項４に記載の流量計測装置。
【請求項６】
前記超音波トランスデューサは、前記配管に抑振材を配置した状態で前記空間移動量を実測する
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の流量計測装置。
【請求項７】
前記超音波トランスデューサは、前記超音波の中心周波数が１００ＫＨｚ〜１ＭＨｚに設定されている
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の流量計測装置。
【請求項８】
配管の内部を流れる気体の流量を計測する流量計測方法であって、
前記配管の表面に接触させた超音波トランスデューサを用いて、超音波の音響強度分布の空間移動量を実測する実測ステップと、
前記気体の流量と前記流量に対応した前記空間移動量との関係を規定したデータと、前記超音波トランスデューサが実測した実測空間移動量とに基づいて、前記気体の流量を算出する流量算出ステップと、を備える
ことを特徴とする流量計測方法。
【請求項９】
前記実測ステップにおいて、前記超音波トランスデューサとして、前記配管の内部に向けて超音波を発振する超音波発振部と、前記超音波発振部が発振した前記超音波を受信する超音波受信部とを含み、少なくとも前記超音波発振部が前記超音波を前記配管の中心に収束させる収束手段を有したものを用いる
ことを特徴とする請求項８に記載の流量計測方法。
【請求項１０】
前記実測ステップにおいて、前記超音波発振部および前記超音波受信部の少なくとも一方を冷却する
ことを特徴とする請求項９に記載の流量計測方法。
【請求項１１】
前記実測ステップにおいて、前記超音波トランスデューサとして、前記収束手段が前記超音波の発振面が前記配管の外面に対応した曲率を有するものを用いる
ことを特徴とする請求項９又は１０に記載の流量計測方法。
【請求項１２】
前記実測ステップにおいて、前記超音波トランスデューサとして、前記超音波受信部が第２の集光手段を有したものを用い、
前記第２の収束手段は、前記超音波の受信面が前記配管の外面に対応した曲率を有する
ことを特徴とする請求項１１に記載の流量計測方法。
【請求項１３】
前記実測ステップにおいて、前記配管に抑振材を配置した状態とする
ことを特徴とする請求項８〜１２のいずれか一項に記載の流量計測方法。
【請求項１４】
前記超音波トランスデューサとして、前記超音波の中心周波数が１００ＫＨｚ〜１ＭＨｚに設定されたものを用いる
ことを特徴とする請求項８〜１３のいずれか一項に記載の流量計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流量計測装置および流量計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、配管内を流れる流体の流量を計測する超音波式流量計測装置として、配管表面に設置した平面センサーにより配管内を流れる流体の流量を検出するものが知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】GEセンシング＆インスペクション・テクノロジーズ株式会社センシング営業本部、“ポータブル超音波気体流量計  ＰＴ８７８ＧＣ”、[平成２６年５月１日検索]、インターネット(URL:http://www.gesensing.jp/product/pdf/flow/pt878gc.pdf)。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記の超音波式流量計測装置においては、配管径や厚さ等といった計測条件が極めて限定されているため、計測対象が限られていた。
【０００５】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、汎用性に優れ、異なる計測条件下においても、配管内を流れる気体の流量を計測できる流量計測装置および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】
【０００６】
本発明の第１態様に従えば、配管の内部を流れる気体の流量を計測する流量計測装置であって、前記気体の流量と、前記流量に対応した超音波の音響強度分布の空間移動量と、の関係を規定したデータを保持するデータ保持部と、前記配管の表面に接触した状態で、前記空間移動量を計測する超音波トランスデューサと、前記超音波トランスデューサが実測した実測空間移動量と前記データとに基づいて、前記気体の流量を算出する流量算出部と、を備える流量計測装置が提供される。
【０００７】
上記第１態様においては、前記超音波トランスデューサは、前記配管の内部に向けて前記超音波を発振する超音波発振部と、前記超音波を受信する超音波受信部とを含み、少なくとも前記超音波発振部が前記超音波を前記配管の中心に収束させる収束手段を有する構成としてもよい。
【０００８】
上記第１態様においては、前記超音波発振部および前記超音波受信部の少なくとも一方を冷却する冷却装置をさらに備える構成としてもよい。
【０００９】
上記第１態様においては、前記収束手段は、前記超音波の発振面が前記配管の外面に対応した曲率を有してもよい。
【００１０】
上記第１態様においては、前記超音波受信部が第２の収束手段を有し、前記第２の収束手段は、前記超音波の受信面が前記配管の外面に対応した曲率を有してもよい。
【００１１】
上記第１態様においては、前記超音波トランスデューサは、前記配管に抑振材を配置した状態で前記空間移動量を実測する構成としてもよい。
【００１２】
上記第１態様においては、前記超音波トランスデューサは、前記超音波の中心周波数が１００ＫＨｚ〜１ＭＨｚに設定されてもよい。
【００１３】
本発明の第２態様に従えば、配管の内部を流れる気体の流量を計測する流量計測方法であって、前記配管の表面に接触させた超音波トランスデューサを用いて、超音波の音響強度分布の空間移動量を実測する実測ステップと、前記気体の流量と前記流量に対応した前記空間移動量との関係を規定したデータと、前記超音波トランスデューサが実測した実測空間移動量とに基づいて、前記気体の流量を算出する流量算出ステップと、を備える流量計測方法が提供される。
【００１４】
上記第２態様においては、前記実測ステップにおいて、前記超音波トランスデューサとして、前記配管の内部に向けて超音波を発振する超音波発振部と、前記超音波発振部が発振した前記超音波を受信する超音波受信部とを含み、少なくとも前記超音波発振部が前記超音波を前記配管の中心に収束させる収束手段を有したものを用いてもよい。
【００１５】
上記第２態様においては、前記実測ステップにおいて、前記超音波発振部および前記超音波受信部の少なくとも一方を冷却する構成としてもよい。
【００１６】
上記第２態様においては、前記実測ステップにおいて、前記超音波トランスデューサとして、前記収束手段が前記超音波の発振面が前記配管の外面に対応した曲率を有するものを用いてもよい。
【００１７】
上記第２態様においては、前記実測ステップにおいて、前記超音波トランスデューサとして、前記超音波受信部が第２の集光手段を有したものを用い、前記第２の収束手段は、前記超音波の受信面が前記配管の外面に対応した曲率を有していてもよい。
【００１８】
上記第２態様においては、前記実測ステップにおいて、前記配管に抑振材を配置した状態とする構成としてもよい。
【００１９】
上記第２態様においては、前記超音波トランスデューサとして、前記超音波の中心周波数が１００ＫＨｚ〜１ＭＨｚに設定されたものを用いる構成としてもよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、汎用性に優れ、異なる計測条件の配管内を流れる気体の流量を精度良く計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】流量計測装置の概略構成を示す図である。
【図２】配管軸方向に沿った断面の超音波トランスデューサの概略構成図である。
【図３】配管軸方向から視た断面の超音波トランスデューサの概略構成図である。
【図４】曲面センサーを用いた場合の解析結果を示した図である。
【図５】曲面センサー及び制振材を設置した場合の解析結果を示した図である。
【図６】制御部の構成を示す模式図である。
【図７】メモリ４５に保持されるデータの一例のグラフを示した図である。
【図８】スペーサー部材の構成を示す図である。
【図９】超音波トランスデューサに冷却装置を設けた変形例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。本実施形態に係る流量計測装置は、例えば、ボイラーなどの蒸気製造装置と負荷設備との間に配設される配管内を流れる気体（例えば、蒸気）の流量を計測可能なシステムである。また、本実施形態の流量計測装置は、配管内を流れる気体の流量を、超音波を利用して計測する装置である。
【００２３】
従来から配管を破壊せずに該配管の内部を流れる流体（液体）の流量を、超音波を用いて外側から計測する計測方法は行われていた。以下、配管を破壊することなく、配管表面に設置した超音波トランスデューサにより外側から配管内部を流れる流体の流量を計測する方式をクランプオン方式と呼ぶことにする。
【００２４】
上述のクランプオン方式により配管内の液体の流量を計測する際、超音波の送受信経路は、液体及び配管材料（固体）となる。この場合、固液界面での音波の反射によるエネルギーロスがみられるものの、概ね良好に超音波信号の送受信が可能である。これは、固体と液体とでは、媒質の音速と密度の積である音響インピーダンスの整合が相対的に良好なためである。固体及び液体では、密度比および音速比が数倍から１０倍程度となっている。
【００２５】
一方、配管の内部を流れる気体（例えば、蒸気）の流量を、超音波を用いて計測する場合、固体および気体における著しい音響インピーダンスの相違を回避する必要がある。そのため、配管内を流れる気体の流量を計測する場合、クランプオン方式による気体の流量計測は困難とされていた。
【００２６】
そのため、配管内を流れる気体の流量を計測する場合、超音波発振子および受信子を配管内に設置する方式が従来は一般的であった。
このように超音波発振子および受信子を配管内に設置する場合、鋼管に貫通穴を設けた専用のフランジ付測定部を挿入する必要があるため、運転中のプラントを一旦停止させ、配管を切断する作業が必要となる。
【００２７】
そこで、汎用性に優れ、異なる計測条件下においても、配管内を流れる気体の流量を計測できる新たな技術の提供が望まれている。
発明者らは、配管内を流れる気体の流量と該流量に対応した超音波の音響強度分布の空間移動量との間に相関関係が存在するとの知見を得た。
【００２８】
本発明者らは、タフト法による超音波流量計測手法を用いて上述の相関関係を導き出した。タフト法は、超音波を配管断面に平行、すなわち管軸に対して垂直に発振し、対向する位置に設けたセンサーにより音響強度分布の空間移動量から流量を決定する方式である。そのため、界面での反射、屈折が抑制されることで配管内部に超音波を良好に入射させることが可能である。
【００２９】
上述の知見に基づき、本発明者らは上記相関関係を規定した複数種類のデータ（グラフ）を予め作成しておき、測定対象となる配管内で上記空間移動量を実測すれば、上記データに基づいて配管内を流れる気体の流量を簡便に算出可能であることを見出し、本発明を完成させた。
【００３０】
図１は本発明の一実施形態に係る流量計測装置の概略構成を示す図である。
本実施形態に係る流量計測装置１００は、図１に示すように、超音波トランスデューサ１と、制御部２とを備えている。図１において、配管１０は、蒸気製造装置２０（ボイラーなど）と負荷設備３０との間に配設されている。蒸気製造装置２０からの蒸気が配管１０を流れ、負荷設備３０に送られる。負荷設備３０において、蒸気又は蒸気の熱が利用される。負荷設備３０から排出された蒸気はドレンとして回収され、還水槽（不図示）に集約された後、蒸気製造装置２０に再度給水される。
【００３１】
図２は配管１０の管軸方向に沿った断面による超音波トランスデューサ１の概略構成を示す図である。図３は配管１０の管軸方向から視た断面による超音波トランスデューサ１の概略構成を示す図である。
【００３２】
図２に示すように、超音波トランスデューサ１は、配管１０の表面１０ａに接触した状態で設置される（クランプオン方式）。超音波トランスデューサ１は、超音波発振センサー２１と超音波受信センサー２６とを含む。
【００３３】
本実施形態において、超音波発振センサー２１は、配管１０の内部に向けて超音波Ｐを発振する超音波発振部として機能する。超音波受信センサー２６は、超音波発振センサーが発振した超音波Ｐを受信する超音波受信部として機能する。
なお、以下、図２において、配管１０内に蒸気の流れが生じていない場合に配管１０の内部を伝搬する超音波Ｐを超音波Ｐ１と示し、配管１０内に蒸気の流れが生じている場合に配管１０の内部を伝搬する超音波Ｐを超音波Ｐ２と示す。
【００３４】
超音波トランスデューサ１において、その中心周波数は数十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。本実施形態では、中心周波数を１００ＫＨｚ〜１ＭＨｚ、例えば、５００ＫＨｚとした。
【００３５】
本実施形態の超音波発振センサー２１および超音波受信センサー２６は、配管１０の内部に超音波Ｐを効率良く導くために、配管１０の表面１０ａに対応した曲率を有した曲面センサーから構成されている。
【００３６】
本実施形態において、例えば、超音波発振センサー２１は、図３に示すように、超音波を発振する発振面２１ａが配管１０の表面１０ａに対応した曲面（断面形状が円）となっている。すなわち、発振面２１ａは発振した超音波を配管１０の中心に収束させることが可能となっている。本実施形態において、発振面２１ａは配管１０の中心に超音波を集束させる収束手段を構成する。
【００３７】
超音波受信センサー２６は、第１受信センサー２３、第２受信センサー２４および第３受信センサー２５を含む。第１受信センサー２３、第２受信センサー２４および第３受信センサー２５は、蒸気の流れの上流から下流に向かうように配管１０の表面に順に設置されている。第１受信センサー２３、第２受信センサー２４および第３受信センサー２５は、それぞれ同一構造を有し、図３に示すように、超音波を受信する受信面２３ａ、２４ａ、２５ａ（以下、これらを総称して受信面２６ａと称すこともある）がそれぞれ配管１０の表面１０ａに対応した曲面（断面形状が円）となっている。これにより、配管１０を透過した超音波は受信面２６ａに良好に入射することとなる。
【００３８】
ここで、曲率センサーから構成された超音波トランスデューサ１を用いた場合に、超音波受信センサー２６が受信する超音波信号の有効性についてシミュレーションの解析結果を参照して説明する。
【００３９】
本シミュレーションはタフト法により計測を行う場合をモデル化して計算を行った。また、本解析では、ボクセル型有限要素法を用い、管内径、外径、材質等の物性値は配管１０と同一とし、超音波信号は間歇的正弦波を一定周期で送出するバースト波とした。なお、超音波伝播数値計算を行う際、蒸気の音速、密度が重要な物性値となる。蒸気の音速は圧力温度依存性があるため、蒸気を完全気体として飽和蒸気の音速を算出した。
【００４０】
図４は本実施形態の超音波トランスデューサ１（曲面センサー）を用いた場合の解析結果を示した図である。図５は超音波トランスデューサ１（曲面センサー）に加え、制振材１１を設置した場合（すなわち、本実施形態の流量計測装置１００の構成）の解析結果を示した図である。図４、５は超音波伝播解析結果（音圧の強度分布）を示す。
【００４１】
図４に示されるように、配管１０内の気体（蒸気）に集束超音波が効率的に導入され、同時に配管１０内を伝搬する音波が著しく弱められた状態で曲面センサー（超音波受信センサー２６）に音波が到達する。具体的に、受信信号全体の振幅レベルが約１／１０以下程度に低下することが確認できた。これは、信号対雑音比の向上にセンサー形状が大きく影響することを示すものである。
以上から、曲率センサーからなる超音波トランスデューサ１を用いることで超音波信号を精度良く計測することが可能である。
【００４２】
しかしながら、曲率センサーからなる超音波トランスデューサ１を用いた場合でも、依然として配管１０内を伝搬するノイズ成分が存在してしまう。
【００４３】
本実施形態では、図２、３に示したように、配管１０の一部を制振材１１で覆うようにしている。制振材１１は、超音波トランスデューサ１（超音波発振センサー２１および超音波受信センサー２６）の設置部分を除くように配管１０の管軸方向に亘って設置される。
【００４４】
上記制振材１１としては、音響減衰効果が高い部材であればよく、例えば、粘土状またはペースト状材料、吸音材（パンチングメタル）、高分子材料等を例示することができる。また、内部に蒸気が流れることで配管１０の表面温度が高くなる場合においては、制振材１１としては音響減衰効果に加え、耐熱性を備えた材料を用いるのが望ましい。
【００４５】
図５に示すように、制振材１１を使用することで配管１０内を伝搬する音波が減少し、曲面センサー（超音波受信センサー２６）に到達するノイズ成分をより減少できることが確認できた。よって、制振材１１を設置することで超音波信号をより精度良く計測することが可能となる。
【００４６】
図２に戻り、配管１０内に蒸気の流れが生じていない場合、超音波発振センサー２１が発信した超音波Ｐ１は蒸気の影響を受けずに配管１０の内部を略まっすぐ進んで超音波受信センサー２６に受信される。
【００４７】
このとき、超音波受信センサー２６において、第２受信センサー２４が受信する信号強度が最も高く、第１受信センサー２３および第３受信センサー２５が受信する信号強度が略同等となる。超音波受信センサー２６は、第１受信センサー２３、第２受信センサー２４および第３受信センサー２５が受信した超音波信号を補完して算出した基準信号強度曲線（音響強度分布）Ｐａを記憶している。なお、基準信号強度曲線Ｐａは、第２受信センサー２４に対応した位置において信号強度がピーク（最大）となっている。
【００４８】
一方、配管１０内に蒸気の流れが生じている場合、超音波発振センサー２１が発信した超音波Ｐ２は、配管１０の内部の蒸気の流れにより斜めに進みながら超音波受信センサー２６に受信される。そのため、超音波受信センサー２６においては、蒸気の流れが存在する場合に比べ、第１受信センサー２３および第２受信センサー２４が受信する信号強度が下がり、第３受信センサー２５が受信する信号強度が上がる。超音波受信センサー２６は、各センサーが受信した超音波信号を補完して信号強度曲線（音響強度分布）Ｐｂを算出する。信号強度曲線Ｐｂは、基準信号強度曲線Ｐａに比べて、信号強度のピーク位置（図２中横方向の座標）が配管１０の下流側に移動している。
【００４９】
本実施形態において、超音波受信センサー２６は、信号強度曲線Ｐｂの基準信号強度曲線Ｐａに対する信号強度のピーク位置の移動量（超音波の音響強度分布の空間移動量ΔＸ）を計測する。この計測値は、後述のように蒸気流量を算出するデータとして利用される。
【００５０】
ここで、信号強度のピーク位置の移動量は、配管１０の内部における蒸気流量に応じて変化する。すなわち、信号強度のピーク位置の移動量は、蒸気流量との間に所定の相関性を有している。
【００５１】
図６は、制御部２の構成を示す模式図である。図６に示すように、制御部２は、計算装置４０に加え、入力装置４１、及び表示装置（出力装置）４２を有する。計算装置４０は、Ａ／Ｄ変換器等の変換器４３、ＣＰＵ（演算処理手段）４４、及びメモリ４５等を有する。流量計測装置１００の超音波トランスデューサ１から送信されるデータが、必要に応じて変換器４３等で変換され、ＣＰＵ４４に取り込まれる。また、初期設定値、及び仮データなどが入力装置４１などを介して計算装置４０に取り込まれる。表示装置４２は、入力されたデータに関する情報、及び計算に関する情報などを表示することができる。
【００５２】
ＣＰＵ４４は、測定データ、及びメモリ４５に記憶された情報に基づき、配管１０の内部を流れる蒸気の流量を算出する。ＣＰＵ４４は、例えば、超音波トランスデューサ１の上記計測結果（配管１０内で生じている超音波の音響強度分布の空間移動量ΔＸ）と、後述のようにメモリ４５に保持されたデータ（空間移動量と蒸気流量との相関性を規定したグラフ）とに基づいて、配管１０の内部を流れる蒸気の流量を算出可能である。
【００５３】
すなわち、計算装置４０のメモリ４５は、配管内部を流れる蒸気の流量と、該流量に対応した超音波の音響強度分布の空間移動量との関係を規定したデータを保持する特許請求の範囲に記載の「データ保持部」を構成する。また、計算装置４０のＣＰＵ４４は、超音波トランスデューサ１が実測した実測空間移動量とメモリ４５に保持されるデータとに基づいて、配管１０の内部を流れる蒸気の流量を算出する特許請求の範囲に記載の「流量算出部」を構成する。
【００５４】
ここで、メモリ４５に保持される、配管内部を流れる蒸気流量と蒸気流量に対応した超音波の音響強度分布の空間移動量との関係を規定したデータについて説明する。
図７はメモリ４５に保持されるデータの一例としてのグラフを示す図である。図７に示すグラフにおいて、横軸は蒸気流量（単位：ｍ３／ｈ）を示し、縦軸は超音波の音響強度分布（超音波の信号強度のピーク値）の空間移動量ΔＸ（単位：μｍ）を示す。
【００５５】
本実施形態において、蒸気流量と空間移動量との関係は、図７に示すように線形性を示すグラフで規定される。
【００５６】
図７に示したグラフは、所定サイズの配管（例えば、配管１０と同じ材質、外径、内径のもの）内を流れる蒸気を、超音波流量計および渦流量計で同時に計測することで作成される。超音波流量計は、タフト法により、蒸気の流れによる超音波の音響強度分布の空間移動量に関するデータを取得する（図２参照）。渦流量計は、配管内の蒸気流量に関するデータを取得する。このようにして取得したデータをそれぞれプロットすることで上記グラフを作成することができる。なお、図７に示したグラフは一例であって、本発明はこれに限定されない。
例えば、配管１０内の温度や圧力を考慮し、信号強度のピーク位置の移動量と蒸気流量との間の相関性（上記グラフ）を補正しても良い。
また、図７では、蒸気流量と空間移動量との関係を示すグラフが直線（線形性を有するもの）の場合を例示したが、本発明はこれに限定されず、グラフが曲線であることもあり得る。
【００５７】
メモリ４５には、サイズの異なる配管に対応して作成された、蒸気流量と空間移動量との相関関係を規定するデータ（グラフ）が多数保持されている。
【００５８】
なお、上記グラフを作成する際、超音波トランスデューサ１（曲面センサー）を有した超音波流量計を用いるのが好ましい。超音波トランスデューサ１を構成する超音波発振センサー２１が曲面センサーから構成されるため、超音波を配管の中心で収束させることができる。
よって、配管の曲率に影響される屈折や反射が抑えるので、信号強度を向上させることができる。また、超音波受信センサー２６が曲面センサーから構成されるため、配管の中心に収束した超音波を良好に受信することができる。よって、信頼性の高いグラフを作成することができる。
【００５９】
また、上記グラフを作成する際、測定対象の配管に制振材を設置するのが好ましい。このようにすれば、配管内を伝搬する音波が減少するため、受信される超音波信号の強度が向上して信頼性の高い計測を行うことができる。よって、信頼性の高いグラフを作成することができる。
【００６０】
続いて、本実施形態に係る流量計測装置１００による流量計測方法について説明する。
はじめに、制御部２は蒸気製造装置２０から配管１０を介して負荷設備３０への蒸気の供給を開始する。
【００６１】
制御部２は超音波トランスデューサ１を駆動し、超音波発振センサー２１の発振面２１ａから配管１０の内部に向けて超音波を発振する。本実施形態では、超音波発振センサー２１が配管１０の表面１０ａに対応した曲率の発振面２１ａを有するため、超音波が配管１０の中心に収束する。よって、配管１０の曲率に影響される屈折や反射を抑えることができる。
【００６２】
配管１０の中心で収束された超音波は、配管１０の対向面側に設置された超音波受信センサー２６により受信される。超音波受信センサー２６は、上述のようにして、配管１０の内部を流れる蒸気により生じる、超音波の音響強度分布の空間移動量ΔＸを計測する（実測ステップ）。
【００６３】
超音波受信センサー２６の計測結果（上記空間移動量ΔＸ）は制御部２へと送信される。制御部２は、必要に応じて上記計測結果をＡ／Ｄ変換機等の変換器４３（図６参照）によりデジタル変換し、ＣＰＵ４４（図６参照）に取り込む。
【００６４】
ＣＰＵ４４は、超音波受信センサー２６が実測した上記空間移動量ΔＸと、メモリ４５に保持されたデータの中から計測対象となる配管１０の種類（例えば、外径、内径、材質等）に対応するグラフ（例えば、図７に示したグラフ）を読み出し、該グラフから空間移動量ΔＸの実測値に対応する蒸気流量を算出することができる（流量算出ステップ）。
【００６５】
以上述べたように、本実施形態によれば、メモリ４５に保持された複数のグラフの中から選択した、計測対象となる配管１０に対応したグラフと空間移動量ΔＸの実測値とに基づいて、配管１０の内部を流れる蒸気の流量を簡便且つ精度良く求めることができる。
よって、外径が異なる種々の配管１０に対して流量計測を行うことが可能な汎用性に優れた計測が可能な流量計測装置および流量計測方法を提供することができる。
【００６６】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、上記実施形態に限定されることはなく、発明の主旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
【００６７】
例えば、上記実施形態では、発振面２１ａおよび受信面２６ａが表面１０ａに対応する態様として、発振面２１ａおよび受信面２６ａが表面１０ａと直接的に接触する態様を例に挙げたが、本発明はこれに限定されない。本発明は、例えば、超音波トランスデューサ１と配管１０との隙間にスペーサー部材が配置されることで、発振面２１ａおよび受信面２６ａが表面１０ａに間接的に接触する態様であってもよい。このようなスペーサー部材としては、例えば、円筒型のものを例示できる。
【００６８】
図８はスペーサー部材の概略構成を示す図である。図８に示すように、スペーサー部材１３は、内径１３ａが表面１０ａの曲率に一致し、外径１３ｂが発振面２１ａおよび受信面２６ａの曲率に一致している。例えば、内径１３ａを異ならせた複数のスペーサー部材１３を用いれば、１つの超音波トランスデューサ１が表面１０ａの径が異なる種々の配管１０に対して流量計測を行うことが可能となる。よって、配管１０の径に依存しない汎用性に優れた流量計測装置１００が提供される。
なお、上記スペーサー部材１３は、断熱機能を有する断熱材から構成されていても良い。このようにすれば、超音波トランスデューサ１に対する配管１０の表面１０ａの熱の影響を小さくすることができる。
【００６９】
また、上述のように外径の異なる配管１０に対して流量計測を行う際、スペーサー部材１３に代えて、超音波トランスデューサ１として可撓性を有したものを用いればよい。このようにすれば、超音波トランスデューサ１は、容易に折り曲げ可能であるので、表面１０ａの曲率に応じて折り曲げることで配管１０の外径によらず表面１０ａに沿って確実に設置することが可能となる。よって、外径が異なる種々の配管１０に対して流量計測を行うことが可能な汎用性に優れたものとなる。
【００７０】
例えば、上記実施形態では、配管１０の中心に超音波を集束させる収束手段として、超音波を発振する発振面２１ａを配管１０の表面１０ａに対応した曲面とする態様を例示したが、本発明はこれに限定されることはない。例えば、収束手段として音響レンズを用い、超音波を配管１０の中心に収束させるようにしてもよい。
【００７１】
また、上記実施形態において、蒸気が流れる配管１０は表面１０ａが非常に高温となる。そのため、表面１０ａに設置された超音波発振センサー２１および超音波受信センサー２６が正常に動作する温度範囲を超えてしまうおそれがある。そこで、図９に示すように、超音波発振センサー２１および超音波受信センサー２６をそれぞれ冷却する冷却装置５１、５２を設置するようにしても良い。冷却装置５１、５２としては、超音波発振センサー２１および超音波受信センサー２６の温度を低下させることができるものであれば特に限定されない。例えば、ヒートシンク構造と冷却ファンを組み合わせた構造や、ペルチェ素子等を用いることができる。このようにすれば、温度特性による超音波発振センサー２１および超音波受信センサー２６の検出精度のバラツキが防止されるので、高精度の流量計測を行うことができる。
【００７２】
また、配管１０の表面１０ａの温度を計測する温度センサー５３を設置し、該温度センサー５３により冷却装置５１、５２の駆動を制御してもよい。例えば、配管１０の表面１０ａの温度が所定値以上となった場合に冷却装置５１、５２を駆動して超音波発振センサー２１および超音波受信センサー２６を冷却すればよい。このようにすれば、超音波発振センサー２１および超音波受信センサー２６の温度管理を精度良く行うことができる。
また、上記冷却装置５１、５２のいずれか一方のみを設置するようにしても構わない。
【００７３】
また、上記実施形態では、配管１０が制振材１１で覆われた構成を例に挙げたが、これに限定されることは無い。例えば、制御部２が配管１０を伝搬する音波によるノイズ成分を考慮して超音波トランスデューサ１からの送信結果（空間移動量ΔＸ）を補正する態様であれば、配管１０の表面１０ａを制振材１１で被覆しなくてもよい。
【００７４】
また、上記実施形態では、上記超音波トランスデューサ１が曲率センサーから構成される場合を例に挙げたが、本発明はこれに限定されることは無く、超音波トランスデューサ１が平面センサーから構成されていても良い。
【００７５】
また、上記実施形態では、気体として配管内を流れる蒸気の流量を計測する場合を例に挙げたが、本発明はこれに限定されず、配管内を流れる空気の流量を計測する場合にも適用可能である。また、配管内を流れる気体がフロン、アンモニア、ＬＮＧ（Liquefied Natural Gas）等であってもよく、これら流体の流量を計測する場合にも本発明は適用可能である。
【符号の説明】
【００７６】
ΔＸ…空間移動量、Ｐ，Ｐ１，Ｐ２…超音波、Ｐａ…基準信号強度分布（超音波の音響強度分布）、Ｐｂ…信号強度分布（超音波の音響強度分布）、１…超音波トランスデューサ、２…制御部（流量算出部）、１０…配管、１０ａ…表面、１１…制振材、２１…超音波発振センサー（超音波発振部）、２１ａ…発振面、２６…超音波受信センサー（超音波受信部）、２３ａ，２４ａ，２５ａ，２６ａ…受信面、４５…メモリ（データ保持部）、５１，５２…冷却装置、１００…流量計測装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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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【図４】
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【図５】
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