(57)【要約】【目的】被測定流体の流速が速い場合や被測定流体の流れる配管の口径が大きい場合においても、ＡＤコンバータのメモリ容量を超えて、高精度な測定を可能にする相関法を利用した反射型超音波流量計および流量測定方法を提供する。【構成】超音波エコー信号をデジタル信号へ変換し記憶するＡＤコンバータの前段に、指定された時間帯のみＡＤコンバータへの入力を許す信号選択手段を備え、配管の部分的なの流速分布を複数回測定し、測定で得られた複数の流速分布から配管全体の流速分布を合成する相関法を利用した反射型超音波流量計および流量測定方法。【選択図】    図１
2009198388.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トリガ信号を出力するトリガ発振手段と、
超音波パルスを配管内の流体に向けて発信する超音波発振手段と、
流体内の反射体による超音波パルスの反射波を受信し超音波エコー信号へ変換する超音波パルス受信手段と、
超音波エコー信号をデジタル信号へ変換し記憶するＡＤコンバータと、
トリガ信号に対してＡＤコンバータの動作開始を遅延させる信号選択手段と、
前記遅延時間を調整する制御手段と、
デジタル化された超音波エコー信号を処理して流速分布を算出する信号処理手段を備えた超音波流速分布計のうち、
前記信号処理手段は所定の時間間隔をもって発振された２つの超音波パルスからの反射波であるデジタル信号へ変換された１つの超音波エコー信号を参照波及び探索波として扱い自己相関を計算して、その相関値のピーク位置を検出し、これらの波の位相差から前記測定線に沿う超音波反射体の位置及び速度を算出して配管中の流体の流速分布を算出する超音波流速分布及び流量計であって、
前記遅延時間を変化させて複数回超音波流速分布を測定し、
前記複数の流速分布から１の流速分布を合成することを特徴とする
超音波流速分布計
【請求項２】
トリガ信号を出力するトリガ発振手段と、
超音波パルスを配管内の流体に向けて発信する超音波発振手段と、
流体内の反射体による超音波パルスの反射波を受信し超音波エコー信号へ変換する超音波パルス受信手段と、
超音波エコー信号をデジタル信号へ変換し記憶するＡＤコンバータと、
トリガ信号に対してＡＤコンバータの動作開始を遅延させる信号選択手段と、
前記遅延時間を調整する制御手段と、
デジタル化された超音波エコー信号を処理して流速分布を算出する信号処理手段を備えた超音波流量計のうち、
前記信号処理手段は所定の時間間隔をもって発振された２つの超音波パルスからの反射波であるデジタル信号へ変換された１つの超音波エコー信号を参照波及び探索波として扱い自己相関を計算して、その相関値のピーク位置を検出し、これらの波の位相差から前記測定線に沿う超音波反射体の位置及び速度を算出して配管中の流体の流速分布を算出する超音波流速分布及び流量計であって、
前記遅延時間を変化させて複数回超音波流速分布を測定し、
前記複数の流速分布から１の流速分布を合成し、
前記合成された流速分布を用いて流量を算出することを特徴とする
超音波流量計
【請求項３】
トリガ信号からＡＤコンバータが動作するまでの遅れ時間を設定するステップと、
トリガ信号を出力するトリガ発信ステップと、
前記トリガ信号により超音波パルスを配管内を流れる流体の測定線に向けて複数回発振する超音波パルス発振ステップと、
前記流体の中の反射体による超音波パルスの反射波を受信し超音波エコー信号へ変換する超音波パルス受信ステップと、
設定された遅れ時間とサンプリング時間に応じて前記超音波エコー信号をアナログ−デジタル変換して記憶するＡＤ変換ステップと、
記憶したデジタル超音波エコー信号の１つのエコー信号を参照波および探索波として扱い自己相関を計算する相関計算ステップと、
前記参照波および探索波の相関値がピーク位置の場合に同一の反射体からの反射波とみなす位相特定ステップと、
前記位相特定ステップにより特定した参照波および探索波の位相差を計算する位相差計算ステップと、
前記位相差計算ステップにより求まる位相差から前記測定線に沿う超音波反射体の速度を算出する速度算出ステップと、
前記超音波パルスとそれに対する超音波エコーの時間差から測定線上の反射体の位置を特定する位置特定ステップと、
前記算出された超音波反射体の速度と位置から流速分布を算出する流速分布算出ステップと、
前記算出した流速分布を記憶する記憶ステップを備えた超音波流速分布測定方法であって、
トリガ信号からＡＤコンバータが動作するまでの遅れ時間を変更して複数回測定を行うとともに、
取得した複数の流速分布を１の流速分布へ合成することを特徴とする
超音波流速分布測定方法
【請求項４】
トリガ信号からＡＤコンバータが動作するまでの遅れ時間を設定するステップと
トリガ信号を出力するトリガ発信ステップと
前記トリガ信号により超音波パルスを配管内を流れる流体の測定線に向けて複数回発振する超音波パルス発振ステップと、
前記流体の中の反射体による超音波パルスの反射波を受信し超音波エコー信号へ変換する超音波パルス受信ステップと、
設定された遅れ時間とサンプリング時間に応じて前記超音波エコー信号をアナログ−デジタル変換して記憶するＡＤ変換ステップと、
記憶したデジタル超音波エコー信号１つのエコー信号を参照波および探索波として扱い自己相関を計算する相関計算ステップと、
前記参照波および探索波の相関値がピーク位置の場合に同一の反射体からの反射波とみなす位相特定ステップと、
前記位相特定ステップにより特定した参照波および探索波の位相差を計算する位相差計算ステップと、
前記位相差計算ステップにより求まる位相差から前記測定線に沿う超音波反射体の速度を算出する速度算出ステップと
前記超音波パルスとそれに対する超音波エコーの時間差から測定線上の反射体の位置を特定する位置特定ステップと
前記算出された超音波反射体の速度と位置から流速分布を算出する流速分布算出ステップと
前記算出した流速分布を記憶する記憶ステップと超音波流量測定方法であって、
トリガ信号からＡＤコンバータが動作するまでの遅れ時間を変更して複数回測定を行うとともに、
取得した複数の流速分布を１の流速分布へ合成し
前記合成された流速分布から流量を算出することを特徴とする超音波流量測定方法
【請求項５】
繰り返し回数を受け付けるステップと、
トリガ信号からＡＤコンバータが動作するまでの遅れ時間を設定するステップと、
トリガ信号を出力するトリガ発信ステップと、
前記トリガ信号により超音波パルスを配管内を流れる流体の測定線に向けて複数回発振する超音波パルス発振ステップと、
前記流体の中の反射体による超音波パルスの反射波を受信し超音波エコー信号へ変換する超音波パルス受信ステップと、
設定された遅れ時間とサンプリング時間に応じて前記超音波エコー信号をアナログ−デジタル変換して記憶するＡＤ変換ステップと、
記憶したデジタル超音波エコー信号１つのエコー信号を参照波および探索波として扱い自己相関を計算する相関計算ステップと、
前記参照波および探索波の相関値がピーク位置の場合に同一の反射体からの反射波とみなす位相特定ステップと、
前記位相特定ステップにより特定した参照波および探索波の位相差を計算する位相差計算ステップと、
前記位相差計算ステップにより求まる位相差から前記測定線に沿う超音波反射体の速度を算出する速度算出ステップと、
前記超音波パルスとそれに対する超音波エコーの時間差から測定線上の反射体の位置を特定する位置特定ステップと、
前記算出された超音波反射体の速度と位置から流速分布を算出する流速分布算出ステップと、
前記算出した流速分布を記憶する記憶ステップとコンピュータプログラムであって、
前記受け付けた回数に達するまではトリガ信号からＡＤコンバータが動作するまでの遅れ時間を変更して繰り返し測定を行うように判断するステップと、
取得した複数の流速分布を１の流速分布へ合成するステップを備えた
コンピュータプログラム
【請求項６】
繰り返し回数を受け付けるステップと、
トリガ信号からＡＤコンバータが動作するまでの遅れ時間を設定するステップと
トリガ信号を出力するトリガ発信ステップと
前記トリガ信号により超音波パルスを配管内を流れる流体の測定線に向けて複数回発振する超音波パルス発振ステップと、
前記流体の中の反射体による超音波パルスの反射波を受信し超音波エコー信号へ変換する超音波パルス受信ステップと、
設定された遅れ時間とサンプリング時間に応じて前記超音波エコー信号をアナログ−デジタル変換して記憶するＡＤ変換ステップと、
記憶したデジタル超音波エコー信号１つのエコー信号を参照波および探索波として扱い自己相関を計算する相関計算ステップと、
前記参照波および探索波の相関値がピーク位置の場合に同一の反射体からの反射波とみなす位相特定ステップと、
前記位相特定ステップにより特定した参照波および探索波の位相差を計算する位相差計算ステップと、
前記位相差計算ステップにより求まる位相差から前記測定線に沿う超音波反射体の速度を算出する速度算出ステップと
前記超音波パルスとそれに対する超音波エコーの時間差から測定線上の反射体の位置を特定する位置特定ステップと
前記算出された超音波反射体の速度と位置から流速分布を算出する流速分布算出ステップと
前記算出した流速分布を記憶する記憶ステップとコンピュータプログラムであって、
前記受け付けた回数に達するまではトリガ信号からＡＤコンバータが動作するまでの遅れ時間を変更して繰り返し測定を行うように判断するステップと、
取得した複数の流速分布を１の流速分布へ合成するステップと、
前記合成された流速分布から流量を算出するステップを備えた
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、超音波パルスを利用して流体の流速分布および流量を測定する超音波流速分布および流量計に係り、特に、比較的クリーンな流体を含む種々の流体の流速分布および流量を非接触測定できる相関法を利用した反射型超音波流量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
相関法を利用した反射型超音波流量計として特許文献１、特許文献２、特許文献３に開示された技術がある。
【特許文献１】特開２００３−３４４１３１
【特許文献２】特開２００４−３３３２６０
【特許文献３】特開２００５−２０８０６８
【０００３】
相関法を利用した反射型超音波流量計は、異なるパルスに対する同一の反射体からのエコー信号を波形の相関から探し出して、その時間差から反射体の速度を算出し、その速度を用いて流速分布や流量を測定するものである。
【０００４】
図６に相関法を利用した反射型超音波流量計の測定形態を示す。配管２０の中の流体に対して、トランスジューサ１７から超音波パルスを複数回入射し、このエコーを解析することで、測定線（ＭＬ）に沿った流速分布を求める。
【０００５】
図７はトランスジューサ１７から入射された超音波ビーム３０と流体中の気泡等の反射体４０の関係を説明するものである。反射体４０は流れに沿って移動するため、ある超音波パルスが衝突した位置をＡとすると、その後の超音波パルスとはＢのように下流で衝突する。
【０００６】
このため、トランスジューサ１７との距離が異なるため、図８のように、入射波である超音波パルスと受信波である超音波エコーとの時間差がパルスによって異なる、という現象が起こる。図８では、時刻ｔ０で発振した超音波パルスとΔt後の発振したパルスの間に、反射体４０はΔｘＡ、反射体４１はΔｘＢだけ変位するが、これは、受信波形では、それぞれ、ΔτＡ、ΔτＢとして観測される。
【０００７】
以上から式（１）、（２）により、トランスジューサ１７からの距離ｘとその位置での流速ｕ(ｘ)を求めることができる。
【数１】
2009198388.tif 000003
【数２】
2009198388.tif 000004
ここで超音波パルスを発振してから反射波を受信するまでの時間をτ、超音波の速度をｃとしている。
【０００８】
このように、同一の反射体からのエコー信号を特定することができれば、その時間差から反射体の速度、すなわち流速を求めることができる。この同一の反射体からのエコーを探すために、エコー信号から特定の時間帯の波形を切り出し（参照波）、このエコー信号の他の部分からこれと同じ波形（探索波）を、相関法を利用して探索するのが、自己相関法を利用した反射型超音波流量計である。
【０００９】
相関法を利用した反射型超音波流量計の基本的な構成は図９に示すようなものである。トリガ発信ボード１２と超音波発信・受信手段であるパルサーレシーバ１４、トランスジューサ１７、受信した超音波エコー信号をサンプリングしてデジタル信号に変換するＡＤコンバータ１５、ＡＤコンバータのメモリ２２、デジタル化された超音波エコー信号を処理して流速分布および流量を算出する信号処理手段であるパーソナルコンピューター（パソコン）１１からなる。
【００１０】
まず、トリガ発信ボード１２がトリガ信号を生成し、これに従いパルサーレシーバ１４が電気パルス信号を生成する。この電気パルス信号をトランスジューサ１７が超音波パルスに変換して発振する。
【００１１】
トリガ信号は、ＡＤコンバータ１５にも同期をとるために送信される。
【００１２】
トランスジューサ１７は、超音波パルスのビームを金属配管２０内に投入射する一方、超音波パルスの発振後、測定対象流体に混在する反射体からの反射波である、超音波エコー信号を受信する。受信した超音波エコー信号は、トランスジューサ１７からパルサーレシーバ１４を介してＡＤコンバータ１５に送られる。ＡＤコンバータ１５はトリガ信号に同期してサンプリングを行い、変換したデジタルエコー信号をパソコン１１に送信する。
【００１３】
図１０に、超音波パルスおよび超音波エコー信号とＡＤコンバータ１５のサンプリングのタイミングとの関係を説明する説明図を示す。
【００１４】
図１０において、横軸は時間軸であり、上段は超音波パルス波形、中段は超音波エコー信号受信波形、下段はＡＤコンバータ１５のサンプリングのタイミングである。図１０の上段に示すように超音波パルスは、例えば、Δｔ間隔の２パルスが繰り返し出力されている。このタイミングに合わせてＡＤコンバータ１５のサンプリングのタイミングが制御される。
【００１５】
ＡＤコンバータ１５は、図１０の下段のタイミングで超音波エコー信号を極めて短時間幅、例えば１μｓ毎にデジタルサンプリング処理して、デジタル超音波エコー信号を生成する。ＡＤコンバータ１５においては、連続する２パルスに対する超音波エコー信号を１系列としてデジタル信号へ変換しメモリ２２で記憶する。通常、１系列は、トランスジューサ１７と反対側の配管壁からのエコーを十分受信できる程度の長さを持つ。ＡＤコンバータ１５が、所要系列数分の時系列データの取得を完了すると、パソコン１１による解析等の処理が行われる。
【００１６】
ＡＤコンバータにて変換されたデジタル超音波エコー信号は、信号処理手段であるパソコン１１で処理され、流速分布、流量が求められる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
さて、相関法を利用した反射型超音波流量計では、２つの超音波パルスが同一の反射体に衝突する必要がある（以下、先のパルスを第１パルス、それに続くパルスを第２パルスと呼ぶ）。このため、被測定流体の流速が速くなると、当然に反射体の移動速度も上がるため、第１パルスと第２パルスの発信間隔を短くする必要が生じる。なぜなら、間隔が長いと第２パルスの発信時には反射体が超音波ビームの外、観測領域外へ行ってしまうからである。
【００１８】
パルスの間隔を短くすると、短い区間のデータを精密に処理する必要があるため、ＡＤコンバータは短いサンプリング時間で変換することが求められる。
【００１９】
一方で、被測定流体が流れる配管口径が大きい場合には、第１パルスを発信してから、トランスジューサ１７と反対側の配管壁付近の反射体による第２パルスの反射波が戻ってくるまでには時間がかかるので、長時間観測を継続する必要が生じる。このためＡＤコンバータは長時間データを蓄積する必要がある。
【００２０】
大口径配管中を高速で流れる流体の流速を測定するには、短いサンプリング時間と長い蓄積時間という、相反する条件が重なり、膨大なデータの蓄積がＡＤコンバータに求められるが、一般にＡＤコンバータのメモリには限りがあり、おのずと測定することができる限界の流速と配管径がでてくる。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本願発明は、ＡＤコンバータのメモリ容量に制限されず、被測定流体の流速が速い場合や被測定流体の流れる配管の口径が大きい場合においても、高精度な測定を可能にする技術を提供することを目的とする。
【００２２】
すなわち、本発明とは以下のものである
（１）
トリガ信号を出力するトリガ発振手段と、
超音波パルスを配管内の流体に向けて発信する超音波発振手段と、
流体内の反射体による超音波パルスの反射波を受信し超音波エコー信号へ変換する超音波パルス受信手段と、
超音波エコー信号をデジタル信号へ変換し記憶するＡＤコンバータと、
トリガ信号に対してＡＤコンバータの動作開始を遅延させる信号選択手段と、
前記遅延時間を調整する制御手段と、
デジタル化された超音波エコー信号を処理して流速分布を算出する信号処理手段を備えた超音波流速分布計のうち、
前記信号処理手段は所定の時間間隔をもって発振された２つの超音波パルスからの反射波であるデジタル信号へ変換された１つの超音波エコー信号を参照波及び探索波として扱い自己相関を計算して、その相関値のピーク位置を検出し、これらの波の位相差から前記測定線に沿う超音波反射体の位置及び速度を算出して配管中の流体の流速分布を算出する超音波流速分布及び流量計であって、
前記遅延時間を変化させて複数回超音波流速分布を測定し、
前記複数の流速分布から１の流速分布を合成することを特徴とする
超音波流速分布計
（２）
トリガ信号を出力するトリガ発振手段と、
超音波パルスを配管内の流体に向けて発信する超音波発振手段と、
流体内の反射体による超音波パルスの反射波を受信し超音波エコー信号へ変換する超音波パルス受信手段と、
超音波エコー信号をデジタル信号へ変換し記憶するＡＤコンバータと、
トリガ信号に対してＡＤコンバータの動作開始を遅延させる信号選択手段と、
前記遅延時間を調整する制御手段と、
デジタル化された超音波エコー信号を処理して流速分布を算出する信号処理手段を備えた超音波流量計のうち、
前記信号処理手段は所定の時間間隔をもって発振された２つの超音波パルスからの反射波であるデジタル信号へ変換された１つの超音波エコー信号を参照波及び探索波として扱い自己相関を計算して、その相関値のピーク位置を検出し、これらの波の位相差から前記測定線に沿う超音波反射体の位置及び速度を算出して配管中の流体の流速分布を算出する超音波流速分布及び流量計であって、
前記遅延時間を変化させて複数回超音波流速分布を測定し、
前記複数の流速分布から１の流速分布を合成し、
前記合成された流速分布を用いて流量を算出することを特徴とする
超音波流量計
（３）
トリガ信号からＡＤコンバータが動作するまでの遅れ時間を設定するステップと、
トリガ信号を出力するトリガ発信ステップと、
前記トリガ信号により超音波パルスを配管内を流れる流体の測定線に向けて複数回発振する超音波パルス発振ステップと、
前記流体の中の反射体による超音波パルスの反射波を受信し超音波エコー信号へ変換する超音波パルス受信ステップと、
設定された遅れ時間とサンプリング時間に応じて前記超音波エコー信号をアナログ−デジタル変換して記憶するＡＤ変換ステップと、
記憶したデジタル超音波エコー信号の１つのエコー信号を参照波および探索波として扱い自己相関を計算する相関計算ステップと、
前記参照波および探索波の相関値がピーク位置の場合に同一の反射体からの反射波とみなす位相特定ステップと、
前記位相特定ステップにより特定した参照波および探索波の位相差を計算する位相差計算ステップと、
前記位相差計算ステップにより求まる位相差から前記測定線に沿う超音波反射体の速度を算出する速度算出ステップと、
前記超音波パルスと探索波の時間差から測定線上の反射体の位置を特定する位置特定ステップと、
前記算出された速度と位置から流速分布を算出する流速分布算出ステップと、
前記算出した流速分布を記憶する記憶ステップを備えた超音波流速分布測定方法であって、
トリガ信号からＡＤコンバータが動作するまでの遅れ時間を変更して複数回測定を行うとともに、
取得した複数の流速分布を１の流速分布へ合成することを特徴とする
超音波流速分布測定方法
（４）
トリガ信号からＡＤコンバータが動作するまでの遅れ時間を設定するステップと
トリガ信号を出力するトリガ発信ステップと
前記トリガ信号により超音波パルスを配管内を流れる流体の測定線に向けて複数回発振する超音波パルス発振ステップと、
前記流体の中の反射体による超音波パルスの反射波を受信し超音波エコー信号へ変換する超音波パルス受信ステップと、
設定された遅れ時間とサンプリング時間に応じて前記超音波エコー信号をアナログ−デジタル変換して記憶するＡＤ変換ステップと、
記憶したデジタル超音波エコー信号の１つのエコー信号を参照波および探索波として扱い自己相関を計算する相関計算ステップと、
前記参照波および探索波の相関値がピーク位置の場合に同一の反射体からの反射波とみなす位相特定ステップと、
前記位相特定ステップにより特定した参照波および探索波の位相差を計算する位相差計算ステップと、
前記位相差計算ステップにより求まる位相差から前記測定線に沿う超音波反射体の速度を算出する速度算出ステップと
前記超音波パルスと探索波の時間差から測定線上の反射体の位置を特定する位置特定ステップと
前記算出された速度と位置から流速分布を算出する流速分布算出ステップと
前記算出した流速分布を記憶する記憶ステップと超音波流量測定方法であって、
トリガ信号からＡＤコンバータが動作するまでの遅れ時間を変更して複数回測定を行うとともに、
取得した複数の流速分布を１の流速分布へ合成し
前記合成された流速分布から流量を算出することを特徴とする超音波流量測定方法
（５）
繰り返し回数を受け付けるステップと、
トリガ信号からＡＤコンバータが動作するまでの遅れ時間を設定するステップと、
トリガ信号を出力するトリガ発信ステップと、
前記トリガ信号により超音波パルスを配管内を流れる流体の測定線に向けて複数回発振する超音波パルス発振ステップと、
前記流体の中の反射体による超音波パルスの反射波を受信し超音波エコー信号へ変換する超音波パルス受信ステップと、
設定された遅れ時間とサンプリング時間に応じて前記超音波エコー信号をアナログ−デジタル変換して記憶するＡＤ変換ステップと、
記憶したデジタル超音波エコー信号の１つのエコー信号を参照波および探索波として扱い自己相関を計算する相関計算ステップと、
前記参照波および探索波の相関値がピーク位置の場合に同一の反射体からの反射波とみなす位相特定ステップと、
前記位相特定ステップにより特定した参照波および探索波の位相差を計算する位相差計算ステップと、
前記位相差計算ステップにより求まる位相差から前記測定線に沿う超音波反射体の速度を算出する速度算出ステップと、
前記超音波パルスと探索波の時間差から測定線上の反射体の位置を特定する位置特定ステップと、
前記算出された速度と位置から流速分布を算出する流速分布算出ステップと、
前記算出した流速分布を記憶する記憶ステップとコンピュータプログラムであって、
前記受け付けた回数に達するまではトリガ信号からＡＤコンバータが動作するまでの遅れ時間を変更して繰り返し測定を行うように判断するステップと、
取得した複数の流速分布を１の流速分布へ合成するステップを備えた
コンピュータプログラム
（６）
繰り返し回数を受け付けるステップと、
トリガ信号からＡＤコンバータが動作するまでの遅れ時間を設定するステップと
トリガ信号を出力するトリガ発信ステップと
前記トリガ信号により超音波パルスを配管内を流れる流体の測定線に向けて複数回発振する超音波パルス発振ステップと、
前記流体の中の反射体による超音波パルスの反射波を受信し超音波エコー信号へ変換する超音波パルス受信ステップと、
設定された遅れ時間とサンプリング時間に応じて前記超音波エコー信号をアナログ−デジタル変換して記憶するＡＤ変換ステップと、
記憶したデジタル超音波エコー信号１つのエコー信号を参照波および探索波として扱い自己相関を計算する相関計算ステップと、
前記参照波および探索波の相関値がピーク位置の場合に同一の反射体からの反射波とみなす位相特定ステップと、
前記位相特定ステップにより特定した参照波および探索波の位相差を計算する位相差計算ステップと、
前記位相差計算ステップにより求まる位相差から前記測定線に沿う超音波反射体の速度を算出する速度算出ステップと
前記超音波パルスと探索波の時間差から測定線上の反射体の位置を特定する位置特定ステップと
前記算出された速度と位置から流速分布を算出する流速分布算出ステップと
前記算出した流速分布を記憶する記憶ステップとコンピュータプログラムであって、
前記受け付けた回数に達するまではトリガ信号からＡＤコンバータが動作するまでの遅れ時間を変更して繰り返し測定を行うように判断するステップと、
取得した複数の流速分布を１の流速分布へ合成するステップと、
前記合成された流速分布から流量を算出するステップを備えた
コンピュータプログラム
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、ＡＤコンバータのメモリ容量の制限を越えて、サンプリング時間を短く保ったままで大口径の配管中を高速で流れる流体の流量を測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明に係る超音波流速分布および流量計の実施の形態について添付図面を参照して説明する。
【００２５】
図１は、本発明に係る超音波流速分布および流量計の一実施形態を概略的に示す測定システムである。
【００２６】
この超音波流速分布および流量計１０は、制御手段、信号処理手段としてのパーソナルコンピュータ（パソコン）１１に流体の流速分布および流量計測機能を付加したものである。
【００２７】
超音波流速分布および流量計１０は、パソコン１１と、トリガ信号を出力するトリガ発振手段としてのトリガ発振ボード１２と、超音波発振手段としてのパルサーレシーバ１４、トランスジューサ１７を備える。パルサーレシーバ１４はコネクタケーブル１３を介してトリガ発振ボード１２に接続され、トランスジューサ１７はコネクタケーブル１６を介してパルサーレシーバ１４に接続される。トランスジューサ１７とパルサーレシーバ１４は超音波パルス受信手段も兼ねている。
【００２８】
さらに、超音波流速分布および流量計１０は前段に信号選択手段であるディレイ回路２３を備えたＡＤコンバータ１５を有する。トリガ発振ボード１２はパルサーレシーバ１４およびＡＤコンバータ１５の信号授受タイミングを制御しており、トリガ信号の出力波形は、予め設定されたソフトウエアのプログラムにより任意に設定できる。また、ディレイ回路２３はパソコン１１からの制御により、ＡＤコンバータの動作開始時間に任意の遅れ時間を生じさせる。
【００２９】
パルサーレシーバ１４は、トリガ発振ボード１２からのトリガ信号を入力して超音波パルス発振信号をトランスジューサ１７に出力する。パルサーレシーバ１４は、デジタルシンセサイザを内蔵し、５０ｋＨｚから２０ＭＨｚまでの超音波パルス発振信号の出力が可能であり、様々な発振周波数特性を有するトランスジューサ１７に対応できる。
【００３０】
一方、トランスジューサ１７は、パルサーレシーバ１４から出力される超音波パルス発振信号を超音波パルスに変換し、測定線ＭＬに沿って入射する。トランスジューサ１７は被測定流体を案内する流体配管２０に所定の設置角度θをなして外側から設置される。
【００３１】
トランスジューサ１７から発振された超音波パルスは流体配管２０内を流れる被測定流体中に入射され、懸濁する（混在する）超音波反射体により反射される。その反射波はトランスジューサ１７に戻り、このトランスジューサ１７にて反射波の大きさに応じた超音波エコー信号に変換される。超音波パルスの反射波である超音波エコー信号は続いてパルサーレシーバ１４に送られ、パルサーレシーバ１４に内蔵されたローパスおよびハイパスフィルタ、またはバンドパスフィルタにより反射波である超音波エコー信号をフィルタリングし、使用超音波パルスの周波数帯のみを抽出し、ノイズの悪影響を抑制している。
【００３２】
パルサーレシーバ１４でフィルタリングされたアナログ式の超音波エコー信号は続いてＡＤコンバータ１５に送られる。このＡＤコンバータ１５は超音波エコー信号をデジタル信号に変換している。ＡＤコンバータ１５で変換されたデジタル超音波エコー信号はＡＤコンバータ１５のボード上のメモリ２２に蓄えられ、パソコン１１のハードディスクへの保存が可能となる。
【００３３】
ＡＤコンバータ１５の解像度は、例えば８ｂｉｔでサンプリング周波数が５００ＭＨｚまで可能である。
【００３４】
本発明においては、ＡＤコンバータ１５がサンプリングを継続する時間はパルサーレシーバ１４から超音波エコー信号が出力される時間よりも短いことを前提にしており、ディレイ回路２３によりＡＤコンバータ１５の動作開始時間を調整することで任意の時間帯の超音波エコー信号を選択的にデジタル変換、記憶する構成となっている。
【００３５】
信号処理手段であるパソコン１１は、超音波パルスの反射波である超音波エコー信号を信号処理して解析し、前記超音波反射体あるいは超音波反射体群の位置と速度を求め、流体の流速分布および流量を算出するようになっている。
【００３６】
本発明における信号処理手段であるパソコン１１は、ディレイ回路２３の遅れ時間を変化させて繰り返し測定を実施する機能、流速分布を内蔵するメモリに記憶する機能、および一旦記憶した複数の流速分布をメモリから呼び出してこれらを合成して新たな流速分布を生成する機能を有する。
【００３７】
次に、本発明にかかる超音波流速分布測定方法、流量測定方法の処理を説明する。
【００３８】
本発明の特徴は、図２に示すように、配管の測定線を幾つかに分割してそれぞれ流速分布を測定し、これをあとから合成して配管全体の流速分布を求める点にある。
【００３９】
まずディレイ１だけADコンバータ１５のサンプリング開始を遅延させると、サンプリング１によりML１の領域の流速分布５１が求まる。次に、ディレイ２だけ遅延させると、サンプリング２によりML２の領域の流速分布５２が求まる。同様にサンプリング３によりML３の流速分布５３が求まる。このように、ディレイ時間を変化させて繰り返し測定を行うことで、配管中の部分的な測定領域についてそれぞれ別個に流速分布を求める。これを最後に合成して配管全体の流速分布を算出する。
【００４０】
図３に、本発明にかかる流量測定方法のフローを示す。まず、パソコン１１は配管を何分割して流速分布を計測するか（繰り返し回数）の入力を受け付ける（Ｓ１）。パソコン１１は分割数に応じて各測定回のディレイ時間を設定し、都度ディレイ回路２３へ送信する（Ｓ２）。
【００４１】
トリガ発振ボード１２からトリガ発振信号がパルサーレシーバ１４とＡＤコンバータ１５に送られると（Ｓ３）、パルサーレシーバ１４から超音波パルス発振のための電気信号がトランスジューサ１７に送信され、トランスジューサ１７は、超音波パルス発振信号を受信して所要周波数、例えば４ＭＨｚの正弦波状の超音波バースト信号に変換し、超音波パルスの発振を行なう（Ｓ４）。
【００４２】
トランスジューサ１７は超音波パルスのビームを流体配管２０内に投影する一方、超音波パルスの発振後、測定対象流体１９に混在する気泡やパーティクル粒子等の超音波反射体からの反射波の受信を開始し、得られた反射波の超音波エコー信号をパルサーレシーバ１４に返信させる（Ｓ５）。この超音波の反射波は、パルサーレシーバ１４の機能により、超音波周波数に応じたバイパスおよびローパスフィルタにより信号処理される（Ｓ６）。その後、ディレイ時間を経過している場合には（Ｓ７）ＡＤコンバータ１５に転送され、高速でデジタルサンプリング処理され、デジタル化される（Ｓ８）。ディレイ時間を経過する前はＡＤコンバータはサンプリング処理を行なわない。
【００４３】
サンプリング処理されたデジタル超音波エコー信号は信号処理手段であるパソコン１１に入力される（Ｓ１０）。パソコン１１が入力されたデジタル超音波エコー信号を解析することにより、配管２０中を流動する流体の流速分布を算出する（Ｓ１１）。
【００４４】
算出した流速分布は、ＰＣ１１が備えているメモリに記憶する（Ｓ１２）。
【００４５】
測定回数が分割数に達するまでは、遅れ時間を変化させて測定を繰り返す（Ｓ１３）。各回の測定の遅れ時間は図２のディレイ１、ディレイ２、ディレイ３のように、配管中の測定線全体を網羅するよう調整される。その後、記憶した複数の流速分布を合成して配管全体の流速分布を生成し（Ｓ１４）、これに基づき、流量を算出する（Ｓ１５）。
【００４６】
ステップＳ１５では、合成された流速分布データを配管２０の内部面積に沿う積分演算を行うことで流量を算出する。
【００４７】
図２に示すように、本発明では、配管の測定線を幾つかに分割して（図２ではＭＬ１，ＭＬ２、ＭＬ３）部分的な流速分布を測定し、これを合成して配管全体の流速分布とする。これにより、ＡＤコンバータのメモリ容量の制限を越えて、サンプリング時間を短く保ったままで大口径の配管中を高速で流れる流体の流量を測定することができる。
【００４８】
パソコン１１による流速分布算出ステップＳ１１は、図４に示すように、自己相関計算処理ステップ（ステップＳ２１）と、探索波特定ステップ（ステップＳ２２）、位相差計算ステップ（ステップＳ２３）と、位置・速度算出ステップ（ステップＳ２４）と、流速分布算出ステップ（ステップＳ２５）等からなる。
【００４９】
まず、ステップＳ２１では、自己相関計算処理ステップがなされ、デジタル超音波エコー信号から抽出された参照波について、同一系列から探索される探索波の相互相関を計算し相関値を算出する。
【００５０】
図５に参照波と探索波の関係を示す。例えば、デジタル超音波エコー信号から抽出した参照波Ａについて、同一系列（図の探索範囲）中の任意の波形との相関が計算される。ここで、相関係数のピーク位置を同一の超音波パルスからの反射波と判断する（Ｓ２２）。結果的に相関の高い波形として探索波Ａが探索される。
【００５１】
ステップＳ２３の位相差計算ステップでは、特定した探索波の位相と参照波の位相との位相差を計算する。図５においては、参照波Ａと探索波Ａ、参照波Ｂと探索波Ｂの位相差である、ΔτＡ、ΔτＢを計算することに該当する。
【００５２】
ステップＳ２４の位置・速度算出ステップでは、計算した位相差（時間差、図５ではΔτＡまたはΔτＢ）から反射体の速度を算出し、また超音波パルスから超音波エコーまでの時間（図５ではτＡまたはτＢ）から反射体の位置を算出する。
【００５３】
ステップＳ２４の位置・速度算出が、系列中の全探索範囲について完了したと判断したら（Ｓ２５）、流速分布算出ステップ（Ｓ２６）がなされる。流速分布算出ステップでは、反射体群位置および速度から超音波反射体群の位置と速度との関係、すなわち、流速分布が算出される。流速分布算出の際は、各系列における同じ対応時刻において同位置で取得された全ての超音波反射体の速度を加算平均又は２乗平均して算出する。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本願発明は、流量計や流速計の製造業、流量計や流速計の販売業やメンテナンス業、プラントの保守・メンテナンス業、プラントの制御に関わるコンピュータプログラムの製作・メンテナンス業などにおいて、利用可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明にかかる超音波流速分布計および流量計の機能ブロック図。
【図２】測定線を分割して流速分布を測定する手順の概念図。
【図３】本発明にかかる超音波流速分布および流量測定方法のフロー図。
【図４】相関法による流速分布算出ステップのフロー図。
【図５】参照波と探索波の関係を説明する図。
【図６】反射型超音波流量計の概念図。
【図７】超音波ビーム中を移動する反射体を説明する図。
【図８】超音波ビーム中の反射体の位置と超音波エコー信号を説明する図。
【図９】相関法を利用した反射型超音波流量計の構成を説明する図。
【図１０】トリガ信号および超音波エコー信号受信波形とＡＤコンバータのサンプリングのタイミングとの関係を説明する説明図。
【符号の説明】
【００５６】
１０      超音波流量計
１１      パーソナルコンピューター
１２      トリガ発振ボード
１３      コネクタケーブル
１４      パルサーレシーバ
１５      ＡＤコンバータ
１６      コネクタケーブル
２０      配管
２２      メモリ
２３      ディレイ回路
３０      超音波ビーム
４０      反射体
４１      反射体
５１      部分的な流速分布
５２      部分的な流速分布
５３      部分的な流速分布
【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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【図１０】
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