JP2009270882A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波機器の取り付けを簡素化でき、温度変化に起因する計測精度の悪化を防止でき、また、流量計算の負荷を少なくすることが可能な超音波流量計を提供する。
【解決手段】超音波流量計は、流体が流れる流路を有する管部の外面に管部の軸方向に配列されて設置された複数の超音波検出手段と、複数の超音波検出手段のうちの基準超音波検出手段と管部を介して対向するように管部の外面に設置され、基準超音波検出手段への方向を送信方向として超音波を送信する送信手段と、複数の超音波検出手段からの出力に基づいて、流体の流れによって送信方向から偏移した進行方向に進んだ超音波の受信位置を特定し、受信位置と基準超音波検出手段との間の距離に基づいて、送信方向と進行方向とのなす角度である偏移角を求め、また、複数の超音波検出手段からの出力に基づいて管部内での音速を求め、音速と偏移角とに基づいて流体の流量を求める演算手段とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波流量計に関し、特には、クランプオン式の超音波流量計に関する。

クランプオン式の超音波流量計（以下、単に「クランプオン流量計」と称する。）は、管部の外面に設置された超音波機器を用いて、管部内を流れる流体の流動速度および流量を測定する。

従来のクランプオン流量計では、第１および第２の超音波送受信器（以下、単に「送受信器」と称する。）が、流体の流れ方向に対して斜めに対向するように管部の外面に設置される。

管部内の流体の流量や流動速度は、第１の送受信器が超音波を送信してから第２の送受信器がその超音波を受信するまでの伝搬時間と、第２の送受信器が超音波を送信してから第１の送受信器がその超音波を受信するまでの伝搬時間と、の差に基づいて計測されていた。この計測方式は、伝搬時間差方式と呼ばれている。

クランプオン流量計では、超音波の送受信を行う機器（例えば、送受信器）の取り付け位置が不正確だと十分な超音波感度が得られず、かつ測定の誤差となる。

このため、各送受信器が流体の流れ方向に対して斜めに対向するように設置されなければならないクランプオン流量計では、各送受信器の位置決めをする装置が大掛かりとなり、送受信器の取り付けが簡便ではなかった。

また、第１および第２の送受信器は、流体の流れ方向に対して斜め方向に超音波を送受信する。このため、温度変化によって、超音波の屈折角が変化すると、超音波感度が下がり、計測器としての性能を十分得ることができないという問題があった。特に、流体が、密度の小さい気体である場合、この問題は顕著であった。

さらに、伝搬時間差方式は、高精度に時間計測をしなければならず、高い時間分解能を得るために超音波周波数に対して十分に高速なクロックと超音波信号全体を捉える多量のデータ点数を用いて時間計算をする必要があり、計算負荷が大きくなる傾向にあった。

本発明の目的は、超音波機器の取り付けを簡素化でき、温度変化に起因する計測精度の悪化を防止でき、また、流量計算の負荷を少なくすることが可能な超音波流量計を提供することである。

本発明による超音波流量計は、流体が流れる流路を有する管部の外面に、当該管部の軸方向に配列されて設置された複数の超音波検出手段と、前記複数の超音波検出手段のうちの基準超音波検出手段と、前記管部を介して対向するように、当該管部の外面に設置され、当該基準超音波検出手段への方向を送信方向として、超音波を送信する送信手段と、前記複数の超音波検出手段からの出力に基づいて、前記流体の流れによって前記送信方向から偏移した進行方向に進んだ前記超音波の受信位置を特定し、当該受信位置と前記基準超音波検出手段との間の距離に基づいて、前記送信方向と前記進行方向とのなす角度である偏移角を求め、また、当該複数の超音波検出手段からの出力に基づいて、前記管部内での音速を求め、当該音速と当該偏移角とに基づいて、前記流体の流量を求める演算手段と、を含む。

上記発明によれば、複数の超音波検出手段と送信手段を、流体の流れ方向に対して斜めに対向するように設置する必要がなくなる。このため、複数の超音波検出手段と送信手段の取り付けを簡素化することが可能になり、温度変化に起因する計測精度の悪化を防止することが可能となる。

また、演算手段は、偏移角と管部内での音速とを、複数の超音波検出手段からの出力に基づいて求め、その音速と偏移角とに基づいて、流体の流量を求める。このため、伝搬時間差方式で必要となる、高精度な時間計測を不要にすることが可能になる。

なお、前記演算手段は、前記受信位置と前記基準超音波検出手段との間の距離と、前記流路の直径と、に基づいて、前記偏移角を求めることが望ましい。

また、前記演算手段は、前記複数の超音波検出手段からの出力に基づいて、当該複数の超音波検出手段にて構成される受信面における前記超音波の振幅分布を求め、当該振幅分布に基づいて、前記超音波の受信位置を特定することが望ましい。

また、前記演算手段は、前記複数の超音波検出手段からの出力に基づいて、前記振幅分布のとがり度合いを示すとがり係数を求め、当該とがり係数に基づいて、前記管部内での音速を求めることが望ましい。

前記演算手段は、前記複数の超音波検出手段からの出力に基づいて、前記振幅分布のゆがみ度合いを示すゆがみ係数を求め、当該ゆがみ係数に基づいて、当該振幅分布の良否判別を行うことが望ましい。

本発明によれば、超音波機器の取り付けを簡素化でき、温度変化に起因する計測精度の悪化を防止でき、また、流量計算の負荷を少なくすることが可能になる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態の超音波流量計を示したブロック図である。

図１において、超音波流量計は、複数の受信センサ１１〜１ｎ（ｎは２以上の整数）と、送信センサ２と、演算制御部３と、を含む。演算制御部３は、送受信制御装置（以下、単に「制御装置」と称する。）３１と、超音波送信装置（以下、単に「送信装置」と称する。）３２と、超音波受信装置（以下、単に「受信装置」と称する。）３３と、信号処理装置３４と、を含む。

受信センサ１１〜１ｎは、複数の超音波検出手段の一例である。受信センサ１１〜１ｎとしては、例えば、超音波振動子が用いられる。

受信センサ１１〜１ｎは、流体１０ａが流れる流路１０ｂを有する管部１０ｃの外面１０ｄに、管部１０ｃの軸方向に配列されて設置される。

各受信センサ１１〜１ｎは、超音波（超音波ビーム）を受信すると、その超音波の強さに応じて振幅が変化する微弱信号（以下、「検出信号」と称する。）を出力する。

本実施形態では、受信センサ１１〜１ｎのうち、配列の中心または中心の近傍に位置する受信センサを、中心受信センサ１ｃと称する。中心受信センサ１ｃは、基準超音波検出手段の一例である。

送信センサ２は、送信手段の一例である。送信センサ２としては、例えば、超音波振動子が用いられる。

送信センサ２は、中心受信センサ１ｃと、管部１０ｃを介して対向するように、管部１０ｃの外面１０ｄに設置される。本実施形態では、送信センサ２は、中心受信センサ１ｃと、管部１０ｃの軸方向に対して垂直に対向するように配置される。なお、送信センサ２は、中心受信センサ１ｃと、管部１０ｃの軸方向に対してほぼ垂直に対向するように配置されてもよい。

送信センサ２は、送信装置３２から送信信号を受け付けると、送信センサ２から管部１０ｃを介して中心受信センサ１ｃへ向かう方向（図１に示した矢印Ａ方向）を送信方向として、超音波（超音波ビーム）を送信する。

演算制御部３は、一般的に演算手段と呼ぶことができる。演算制御部３は、各受信センサ１１〜１ｎからの検出信号（出力）に基づいて、流体１０ａの流量を演算する。

具体的には、演算制御部３は、流体１０ａの流れ（図１に示した矢印Ｂ）によって送信方向（図１に示した矢印Ａ方向）から偏移した進行方向（図１に示した矢印Ｃ方向）に進んだ超音波（超音波ビーム）の受信センサ１１〜１ｎ上での受信位置Ｘを、各受信センサ１１〜１ｎからの検出信号に基づいて特定する。

例えば、演算制御部３は、各受信センサ１１〜１ｎからの検出信号に基づいて、受信センサ１１〜１ｎにて構成される受信面における超音波の振幅分布を求め、その振幅分布に基づいて受信位置Ｘを特定する。

なお、演算制御部３は、各受信センサ１１〜１ｎからの検出信号に基づいて、振幅分布のゆがみ度合いを示すゆがみ係数を求め、そのゆがみ係数に基づいて、振幅分布の良否判別を行ってもよい。

演算制御部３は、受信位置Ｘと中心受信センサ１ｃとの間の距離（図１に示したδｓ）を求め、距離δｓに基づいて、送信方向と進行方向とのなす角度である偏移角（図１に示した角度θ）を求める。

また、演算制御部３は、各受信センサ１１〜１ｎからの検出信号に基づいて、管部１０ｃ内での音速を求める。

例えば、演算制御部３は、各受信センサ１１〜１ｎからの検出信号に基づいて、振幅分布のとがり度合いを示すとがり係数を求め、そのとがり係数に基づいて、管部１０ｃ内での音速を求めてもよい。

演算制御部３は、音速と偏移角とに基づいて、流体１０ａの流量を求める。

制御装置３１は、送信装置３２と信号処理装置３４に、送信トリガ信号を提供する。また、制御装置３１は、受信装置３３に、スイッチ切り替え信号を提供する。

送信装置３２は、制御装置３１から送信トリガ信号を受け付けると、送信センサ２に送信信号を提供する。

受信装置３３は、各受信センサ１１〜１ｎと個別に接続可能なスイッチ３３ａと、増幅器（アンプ）３３ｂと、フィルタ３３ｃとを含む。

受信装置３３は、制御装置３１からスイッチ切り替え信号を受け付けるごとに、スイッチ３３ａの接続を順次切り替えて、受信センサ１１〜１ｎの個々の検出信号をスキャンし、個々の検出信号を、増幅器３３ｂで増幅し、フィルタ３３ｃでフィルタし、制御装置３１に提供する。なお、制御装置３１は、受信装置３３から受け付けた個々の検出信号を、信号処理装置３４に提供する。

信号処理装置３４は、個々の受信センサ１１〜１ｎからの検出信号に基づいて、各検出信号の振幅のピーク（ピーク電圧）を計測する。

信号処理装置３４は、ピークの計測結果に基づいて、受信センサ１１〜１ｎにて構成される受信面における超音波（超音波ビーム）の振幅分布を求め、その振幅分布に基づいて、超音波（超音波ビーム）の偏移角、管１０ｃ内の音速、および、流体１０ａの流量等を演算する。

次に、動作を説明する。

制御装置３１は、例えば、ユーザまたは不図示の管理装置から動作指示を受け付けたり、予め定められた動作時刻になったりすると、送信装置３２と信号処理装置３４に送信トリガ信号を提供し、また、受信装置３３に、予め定められた時間間隔で、スイッチ切り替え信号を順次提供する。

送信装置３２は、送信トリガ信号を受け付けると、送信センサ２に送信信号を提供する。図２は、送信信号の一例を示した説明図である。

送信センサ２は、送信信号を受け付けると、管１０ｃの軸方向に対して垂直方向に、具体的には、中心受信センサ１ｃに向けて（図１に示した矢印Ａ方向）、超音波（超音波ビーム）を送信する。

各受信センサ１１〜１ｎは、送信センサ２から送信された超音波（超音波ビーム）を受信すると、検出信号を出力する。

なお、送信センサ２から送信された超音波（超音波ビーム）は、管１０ｃ内の流体１０ａの流れの影響を受けて偏移する（図１に示した矢印Ｃ参照）。

よって、流体１０ａが流れていない場合には、中心受信センサ１ｃからの検出信号の振幅が、他の受信センサからの検出信号の振幅より大きくなる。

図３（ａ）は、流体１０ａが流れていない状況で中心受信センサ１ｃから出力される検出信号（超音波受信信号）の一例を示した説明図である。図３（ｂ）は、流体１０ａが流れていない状況で両端の受信センサ１１と１ｎから出力される検出信号（超音波受信信号）の一例を示した説明図である。

一方、流体１０ａが流れている場合には、中心受信センサ１ｃと異なるある受信センサからの検出信号の振幅が、他の受信センサからの検出信号の振幅より大きくなる可能性が高くなる。

受信装置３３では、スイッチ切り替え信号を受け付けるごとに、スイッチ３３ａが、接続を予め定められた順序で順次切り替えて、受信センサ１１〜１ｎの個々の検出信号をスキャンし、増幅器３３ｂが個々の検出信号を増幅し、フィルタ３３ｃが個々の検出信号をフィルタして、個々の検出信号が、制御装置３１に提供される。

図４（ａ）は、受信装置３３が、流体１０ａが流れていない状況で中心受信センサ１ｃから出力された検出信号を受け付けた場合に出力する信号（増幅およびフィルタリングされた検出信号）の一例を示した説明図である。

図４（ｂ）は、受信装置３３が、流体１０ａが流れていない状況で両端受信センサ１１と１ｎから出力された検出信号を受け付けた場合に出力する信号（増幅およびフィルタリングされた検出信号）の一例を示した説明図である。

制御装置３１は、受信装置３３から受け付けた個々の検出信号を、信号処理装置３４に提供する。

信号処理装置３４は、個々の検出信号を受け付けると、まず、それら検出信号に基づいて、ビーム（超音波）偏移角（図１に示した角度θ）を計算する。

具体的には、信号処理装置３４は、まず、中心受信センサ１ｃの位置を０として、中心受信センサ１ｃから他の受信センサまでの距離（つまり、中心受信センサ１ｃの位置を０としたときの各受信センサ１１〜１ｎの位置）を横軸とし、検出信号のピーク電圧（振幅のピーク値）を縦軸とするグラフに、各受信センサ１１〜１ｎからの検出信号のピーク電圧をプロットして振幅分布を求める。

なお、受信センサ１１〜１ｎの位置は、予め、信号処理装置３４に登録されているものとする。また、スイッチ３３ａの接続順が予め定められているため、信号処理装置３４は、受け付けた検出信号がどの受信センサからの出力であるかを認識することができる。

図５は、振幅分布の一例を示した説明図である。図５において、振幅分布５ａは、流体１０ａの流れがない場合の振幅分布の一例であり、振幅分布５ｂは、流体１０ａが図１に示した矢印Ｂ方向に流れている場合の振幅分布の一例である。

続いて、信号処理装置３４は、振幅分布のピークを示す位置（横軸での位置）δsを特定する。なお、δsは、受信位置Ｘを示す座標であると共に、受信位置Ｘと中心受信センサ１ｃとの間の距離も表す。

続いて、信号処理装置３４は、予め登録されている管１０ｃの内径（流路１０ｂの直径）Ｄと、値（受信位置Ｘと中心受信センサ１ｃとの間の距離）δsとを用いて、数１に示した式にしたがって、偏移角θを演算する。

続いて、信号処理装置３４は、受信センサ１１〜１ｎからの検出信号に基づいて、とがり係数を求める。

とがり係数とは、振幅分布をプロットしたときに、振幅分布がどのくらいとがっているのかを示す係数であり、数２に示した式にしたがって演算される。

なお、ｎはデータ個数（この場合、受信センサの個数）、σは標準偏差、ｘｉはデータ（この場合、受信センサ１ｉからの検出信号のピーク値）、

は、データの平均値（この場合、受信センサ１１〜１ｉからの検出信号のピーク値の平均値）である。

信号処理装置３４は、数２に示した式にしたがって、とがり係数を演算する。

図６は、とがり係数と振幅分布との関係を示した説明図である。

とがり係数は、超音波ビームの広がりを示し、管１０ｃ内の音速に依存することが知られている。このため、信号処理装置３４は、とがり係数に基づいて、管１０ｃ内の音速を求める。

続いて、信号処理装置３４は、受信センサ１１〜１ｎからの検出信号に基づいて、ゆがみ係数を求める。

ゆがみ係数とは、振幅分布をプロットしたときに、振幅分布がどのくらいゆがんでいるのかを示す係数であり、数４に示した式にしたがって演算される。

信号処理装置３４は、数４に示した式にしたがって、ゆがみ係数を演算する。

図７は、ゆがみ係数と振幅分布との関係を示した説明図である。

信号処理装置３４は、ゆがみ係数を求めることで、流体の乱れ度および偏流度を推定できる。

例えば、信号処理装置３４は、流体の乱れ度および偏流度を、流体１０ａの状態監視用に用いる。また、振幅分布のゆがみは、偏移角θの誤差の原因となるため、信号処理装置３４は、ゆがみ係数から求めた流体の乱れ度および偏流度を、振幅分布の良否判定に使用する。

なお、ゆがみ係数、流体の乱れ度および偏流度は、流量測定に直接使用されないので、信号処理装置３４は、ゆがみ係数、流体の乱れ度および偏流度を演算しなくてもよい。

続いて、信号処理装置３４は、音速Ｃと偏移角θとを用いて、数５に示した数式にしたがって、流体１０ａの流れ方向Ｂの速度成分Ｖを演算する。

続いて、信号処理装置３４は、流体１０ａの流れ方向Ｂの速度成分Ｖと、予め登録されている管路内断面積（管部１０ｃの内周にて規定される面の面積）Ａと、を用いて、数６に示した数式にしたがって、流体１０ａの流量Ｑを演算する。

本実施形態によれば、受信センサ１１〜１ｎと送信センサ２とを、流体１０ａの流れ方向Ｂに対して斜めに対向するように設置する必要がなくなる。このため、受信センサ１１〜１ｎと送信センサ２の取り付けを簡素化することが可能になり、温度変化に起因する計測精度の悪化を防止することが可能となる。

特に、送信センサ２が、中心受信センサ１ｃと、管部１０ｃの軸方向に対して垂直に対向するように配置される場合、従来の傾けて取り付ける構造よりも簡素かつ設置スペースを小さくすることができる。

この場合、送信センサ２が、中心受信センサ１ｃと、管部１０ｃの軸方向に対して垂直に対向するように配置され、超音波（超音波ビーム）も、管部１０ｃの軸方向に対して、ほぼ垂直に伝搬するので、温度の変化による影響を受け難くなる。

また、演算制御部３は、偏移角と管部１０ｃ内での音速とを、各受信センサ１１〜１ｎからの出力に基づいて求め、その音速と偏移角とに基づいて、流体の流量を求める。このため、伝搬時間差方式で必要となる、高精度な時間計測を不要にすることが可能になる。

また、演算制御部３は、流量計算用のパラメータとして各受信センサ１１〜１ｎからの検出信号の最大振幅だけを用いて流量を計算できるので、計算負荷は非常に小さくなる。

また、演算制御部３は、振幅分布に関するとがり係数を求めることによって、流体音速の推定を行うことができる。

また、演算制御部３は、振幅分布に関するゆがみ係数を求めることによって、流体乱流度の測定・計測値良否判定判断を行うことができる。

以上説明した実施形態において、図示した構成は単なる一例であって、本発明はその構成に限定されるものではない。

例えば、信号処理装置３４は、送信センサ２から超音波が送信されてから、中心受信センサ１ｃがその超音波を受信するまでの伝搬時間を計測してもよい。信号処理装置３４は、この計測結果を、とがり係数から求めた音速の自己診断用として使用する。また、信号処理装置３４は、この計測結果から、管１０ｃ内の音速Ｃを求めてもよい。

本発明の一実施形態の超音波流量計を示したブロック図である。 送信信号の一例を示した説明図である。 検出信号の一例を示した説明図である。 受信装置３３が出力する信号の一例を示した説明図である。 振幅分布の一例を示した説明図である。 とがり係数と振幅分布との関係を示した説明図である。 ゆがみ係数と振幅分布との関係を示した説明図である。

符号の説明

１０ａ 流体
１０ｂ 流路
１０ｃ 管部
１０ｄ 外面
１１〜１ｎ 受信センサ
１ｃ 中心受信センサ
２ 送信センサ
３ 演算制御部
３１ 送受信制御装置
３２ 超音波送信装置
３３ 超音波受信装置
３３ａ スイッチ
３３ｂ アンプ
３３ｂ フィルタ
３４ 信号処理装置

Claims (5)

1. 流体が流れる流路を有する管部の外面に、当該管部の軸方向に配列されて設置された複数の超音波検出手段と、
   前記複数の超音波検出手段のうちの基準超音波検出手段と、前記管部を介して対向するように、当該管部の外面に設置され、当該基準超音波検出手段への方向を送信方向として、超音波を送信する送信手段と、
   前記複数の超音波検出手段からの出力に基づいて、前記流体の流れによって前記送信方向から偏移した進行方向に進んだ前記超音波の受信位置を特定し、当該受信位置と前記基準超音波検出手段との間の距離に基づいて、前記送信方向と前記進行方向とのなす角度である偏移角を求め、また、当該複数の超音波検出手段からの出力に基づいて、前記管部内での音速を求め、当該音速と当該偏移角とに基づいて、前記流体の流量を求める演算手段と、を含む超音波流量計。
2. 請求項１に記載の超音波流量計において、
   前記演算手段は、前記受信位置と前記基準超音波検出手段との間の距離と、前記流路の直径と、に基づいて、前記偏移角を求める、超音波流量計。
3. 請求項１または２に記載の超音波流量計において、
   前記演算手段は、前記複数の超音波検出手段からの出力に基づいて、当該複数の超音波検出手段にて構成される受信面における前記超音波の振幅分布を求め、当該振幅分布に基づいて、前記超音波の受信位置を特定する、超音波流量計。
4. 請求項３に記載の超音波流量計において、
   前記演算手段は、前記複数の超音波検出手段からの出力に基づいて、前記振幅分布のとがり度合いを示すとがり係数を求め、当該とがり係数に基づいて、前記管部内での音速を求める、超音波流量計。
5. 請求項３または４に記載の超音波流量計において、
   前記演算手段は、前記複数の超音波検出手段からの出力に基づいて、前記振幅分布のゆがみ度合いを示すゆがみ係数を求め、当該ゆがみ係数に基づいて、当該振幅分布の良否判別を行う、超音波流量計。

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