(57)【要約】【課題】測定管の外壁における超音波センサ部の取付位置情報を適切にオペレータに通知できる超音波流量計を実現すること。【解決手段】被測定象流体が流れる測定管の外壁から超音波信号を送受する超音波センサ部が取り付けられる超音波流量計において、  前記超音波センサ部の一部に重力加速度が検出可能な加速度センサを設けたことを特徴とするもの。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定象流体が流れる測定管の外壁から超音波信号を送受する超音波センサ部が取り付けられる超音波流量計において、
前記超音波センサ部または超音波センサ部が取り付けられる取付部材のいずれかは重力加速度が検出可能な加速度センサを有することを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】
前記加速度センサの出力に基づき、前記超音波センサ部または超音波センサ部が取り付けられる取付部材の測定管に対する取付角度情報を出力することを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
【請求項３】
前記加速度センサの出力に基づき、前記超音波センサ部または超音波センサ部が取り付けられる取付部材の測定管に対する理論上の取付角度からの角度のずれ情報を出力することを特徴とする請求項１または請求項２記載の超音波流量計。
【請求項４】
前記加速度センサの出力に基づき、前記超音波センサ部または超音波センサ部が取り付けられる取付部材の測定管に対する初期の取付角度からの角度のずれ情報を出力することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の超音波流量計。
【請求項５】
前記加速度センサの出力に基づき、前記超音波センサ部または超音波センサ部が取り付けられる取付部材の測定管に対する初期の取付位置からの位置ずれ情報を出力することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか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、超音波流量計に関し、詳しくは、測定管に対する超音波センサ部の取付位置情報の取得に関する。
【背景技術】
【０００２】
図５は、従来から用いられている伝搬時間差法に基づくクランプオン型超音波流量計の一例を示す構成説明図である。図５において、被測定流体が流れる測定管１の外壁には、測定管１を挟むようにして、切り替えに応じて超音波信号の送受を行う２個の超音波センサ部２、３が、それぞれの超音波信号の伝搬経路Ａ、Ｂが測定管１の管軸ＴＡに対して所定の角度で斜め方向に交わる位置関係で、上流側と下流側に対向して配置されている。
【０００３】
超音波センサ部２、３はそれぞれ超音波の送受信が可能な振動子を含むものであり、これら超音波センサ部２、３はケーブル４を介して送受信切替部５に接続されている。なお、以下の説明では、超音波センサ部とは、超音波センサおよび超音波センサが取り付けられる取付部材を含むものとする。
【０００４】
送受信切替部５には送信回路６および受信回路７が接続されていて、これら送信回路６および受信回路７は信号処理部８に接続されている。信号処理部８は表示出力部９に接続されている。
【０００５】
送受信切替部５は、超音波センサ部２、３が相補的に超音波信号の送受を行うように切り替える。たとえば一方の超音波センサ部２が送受信切替部５を介して送信回路６から入力される超音波駆動信号に基づいて振動子により測定管１の内部に超音波信号を発生出力すると、他方の超音波センサ部３は測定管１の内部を伝搬した超音波信号を振動子で受信して変換された信号を送受信切替部５を介して受信回路７へ出力する。
【０００６】
超音波センサ部２、３で受信され変換された超音波信号に基づく信号は、送受信切替部５を介して受信回路７に取り込まれて増幅されて信号処理部８に出力される。
【０００７】
信号処理部８は、送信回路６の送信時刻信号と受信回路７で受信された超音波信号の受信時刻信号に基づいて伝搬経路Ａ、Ｂにおけるそれぞれの伝搬時間を算出するとともに被測定流体の流速を算出し、最終的に被測定流体の流量を算出する。
【０００８】
具体的には、被測定流体の流速Ｖは、伝搬経路Ａにおける伝搬時間Ｔusと伝搬経路Ｂにおける伝搬時間Ｔdsとの時間差ΔＴ（＝Ｔus−Ｔds）と、伝搬時間ＴusあるいはＴdsおよびあらかじめ想定したケーブル長による伝搬時間や電気回路の遅延時間などを考慮して算出された測定管１内の伝搬時間Ｔに基づいて、次式により求められる。
流速Ｖ∝△Ｔ/Ｔ
【０００９】
ところで、このような伝搬時間差法を用いて超音波流量計を動作させる場合には、１対の超音波センサ部２、３がお互いの超音波信号を適切に送受信できるように、測定管１の外壁に正確に取り付ける必要がある。超音波センサ部２、３の取付位置のずれは測定誤差の原因となり、測定誤差信号を発生出力させてしまう。
【００１０】
特許文献１には、配管１０の外壁に超音波の検出器１ａ、１ｂを簡単に取り付ける方法として、センサ部１１に設けた表示部１２に受信信号の大きさを表示することが記載されている。
【００１１】
図６は、測定管１の外壁における超音波センサ部２、３の取付位置のずれを説明する簡略断面図である。図６において、超音波センサ部２と正確に対向する超音波センサ部３の取付位置は破線で示すＡの位置であるが、超音波センサ部３の実際の取付位置は時計方向に角度θずれた実線で示すＢの位置である。
【００１２】
超音波センサ部３の取付位置がＢのように円周方向にずれていると、受信信号が検出できないことがある。このような場合、引用文献１に記載されている超音波センサ部３の受信信号の大きさを監視しながら超音波センサ部３の取付位置を調整する方法だけでは、調整にかなりの時間がかかってしまうという問題がある。
【００１３】
図７は、一部が埋設された測定管１の外壁における超音波センサ部２、３の取付位置を説明する簡略断面図である。図７に示すように一部が埋設された測定管１の外壁に２つの測線で超音波センサ部２、３を取り付けるのにあたっては、安定測定のために超音波センサ部２、３のそれぞれの測線Ｌ２、Ｌ３が互いに直交するように取り付けることが一般的である。
【００１４】
超音波センサ部２、３のそれぞれの測線が互いに直交するように取り付けるためには、測定管１の外周の円周を測定し、その値から２つの測線が直交する位置を算出しなければならないが、測定管１の一部が地中に埋設されている場合には直接その外周の円周を測定できないので、目視などでおおよその位置に設置することになる。
【００１５】
非特許文献１には、本発明と同様な伝搬時間差方式の超音波流量計の測定原理や構成などについて記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開２０１３−７２８５４号公報
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】福原  聡、外３名、「超音波流量計  ＵＳ３５０」、横河技報、横河電機株式会社、２００４年１月２０日、Ｖｏｌ．４８  Ｎｏ．１（２００４）  ｐ．２９−３２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は、このような課題を解決するものであって、その目的は、測定管１の外壁における超音波センサ部２、３の取付位置情報を適切にオペレータに通知できる超音波流量計を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
被測定象流体が流れる測定管の外壁から超音波信号を送受する超音波センサ部が取り付けられる超音波流量計において、
前記超音波センサ部の一部に重力加速度が検出可能な加速度センサを設けたことを特徴とする。
【００２０】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の超音波流量計において、前記加速度センサの出力に基づき、前記超音波センサ部の前記測定管に対する現在の取付角度情報を出力することを特徴とする。
【００２１】
請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の超音波流量計において、前記加速度センサの出力に基づき、前記超音波センサ部の前記測定管に対する取付角度の変化情報を出力することを特徴とする。
【００２２】
請求項４記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の超音波流量計において、前記加速度センサの出力に基づき、前記超音波センサ部の前記測定管に対する初期の取付角度からの角度のずれ情報を出力することを特徴とする。
【００２３】
請求項５記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の超音波流量計において、前記加速度センサの出力に基づき、前記超音波センサ部の前記測定管に対する初期の取付位置からの位置ずれ情報を出力することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
これらにより、測定管の外壁における超音波センサ部の取付位置情報を、オペレータに適切に通知できる超音波流量計を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一実施例を示す構成説明図である。
【図２】本発明の他の実施例を示す構成説明図である。
【図３】従来の超音波流量計の一例を示す構成説明図である。
【図４】本発明の一実施例を示す構成説明図である。
【図５】従来から用いられている伝搬時間差法に基づくクランプオン型超音波流量計の一例を示す構成説明図である。
【図６】測定管１の外壁における超音波センサ部２、３の取付位置のずれを説明する簡略断面図である。
【図７】一部が埋設された測定管１の外壁における超音波センサ部２、３の取付位置を説明する簡略断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例の主要部分を示す構成説明図であり、図５〜図７と共通する部分には同一の符号を付けている。図１において、超音波センサ部２の上面には、重力加速度を検出できるように構成されたＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３軸の加速度センサ１０が設けられている。
【００２７】
図２は本発明の一実施例を示す構成説明図であり、図５と共通する部分には同一の符号を付けている。図２において、超音波センサ部３の上面にも、重力加速度を検出できるように構成された加速度センサ１０と同様な加速度センサ１１が設けられている。これら加速度センサ１０、１１は、それぞれケーブル１２、１３を介して信号処理部８に接続されている。
【００２８】
図２の動作を説明する。
加速度センサ１０、１１を用いた超音波センサ部２、３の測定管１に対する現在の取付角度などの取付位置情報の取り込みは、超音波センサ部２、３による流量測定とは非同期に、オペレータが設定する任意のタイミングまたは動作シーケンスとして設定された所定のタイミングで実施され、それらの測定結果に基づく取付位置情報は表示出力部９に表示することによりオペレータに通知される。
【００２９】
図３は加速度センサ１０、１１の設置例図であり、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は断面図である。加速度センサ１０、１１が検出する３軸を図１に示したようにＸ、Ｙ、Ｚとする。      
【００３０】
図３（Ａ）に示すように地面と平行な水平線ＨＬに対して管軸線ＴＡが角度θ1の傾きを持った状態で配置されている測定管１に対して、加速度センサ１０を設置角度θ2の位置に取り付けるとともに加速度センサ１１を設置角度θ3の位置に取り付け、この状態における加速度センサ１０の３軸で検出された加速度の値をＸ１、Ｙ１、Ｚ１とし、加速度センサ１１の３軸で検出された加速度の値をＸ２、Ｙ２、Ｚ２とする。
【００３１】
加速度センサ１０から得られる信号Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１は、図４に示すベクトル図より重力加速度ｇを用いて以下のような式で表される。
Ｘ１＝−ｇｓｉｎθ1
Ｙ１＝−ｇ’ｓｉｎθ2
Ｚ１＝−ｇ’ｃｏｓθ2
ｇ：重力加速度
ｇ’：測定管１に対して垂直に働く重力加速度（＝−ｇｃｏｓθ1）
【００３２】
得られた信号から上記式を信号処理部８で解くことによって、測定管１に対する加速度センサ１０の取付角度θ2が得られる。
【００３３】
同様に、超音波センサ部３に取り付けられた加速度センサ１１から得られる信号Ｘ２、Ｙ２、Ｚ２について考えると、１対の超音波センサ部で超音波の送受信を行う超音波流量計では１対の超音波センサ部が対向するように設置されるため、図３に示すようにＸ軸およびＹ軸が反転する。この結果、Ｘ２、Ｙ２、Ｚ２は、以下のような式で表される。
【００３４】
Ｘ２＝ｇｓｉｎθ1
Ｙ２＝ｇ’ｓｉｎθ3
Ｚ２＝−ｇ’ｃｏｓθ3
加速度センサ１０と同様に、得られた信号から上記式を信号処理部８で解くことによって、測定管１に対する加速度センサ１１の取付角度θ3が得られる。
【００３５】
このようにして得られた測定管１の外壁における超音波センサ部２の取付角度θ2と超音波センサ部３の取付角度θ3の情報を表示出力部９に表示して、これらの取付角度θ2とθ3の情報をオペレータが認識できるようにすることにより、オペレータは測定管１の外壁に超音波センサ部２、３を取り付けるのにあたり、所望の取付角度で、容易に取り付けることができる。
【００３６】
そして、オペレータは、測定管１の外壁に超音波センサ部２、３を取り付けた後においても、定期的に加速度センサ１０、１１で測定管１の外壁に対する超音波センサ部２、３の取付角度を測定することにより、初期取付時の取付角度と差分から超音波センサ部２、３の取付位置のずれや緩みなどを的確に把握でき、高精度の測定結果を得るために必要な所定の保守点検作業を行うことができる。
【００３７】
なお、上記実施例では、伝搬時間差法に基づくクランプオン型超音波流量計に適用する例について説明したが、本発明は伝搬時間差法に基づくクランプオン型超音波流量計に限るものではなく、その他の反射相関方式などの超音波流量計にも有効である。
【００３８】
さらに、本発明は、配管内を非満水状態で流れる流体の液面レベル（界面レベル）の測定にも有効である。
【００３９】
以上説明したように、本発明によれば、高精度の測定が行える超音波流量計を実現することができる。
【符号の説明】
【００４０】
１  測定管
２、３  超音波センサ部
４、１２、１３  ケーブル
５  送受信切替部
６  送信回路
７  受信回路
８  信号処理部
９  表示出力部
１０、１１  加速度センサ
【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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