JP2015169433A - 超音波式音速測定装置及び超音波式音速測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波受信信号のうちの透過波のＳ／Ｎ比を向上させ当該透過波を容易に判別できると共に、当該透過波の伝播時間及び流体の音速の正確な算出を行うことのできる超音波式音速測定装置及び超音波式音速測定方法を提供する。【解決手段】送信用トランスデューサが、第１及び第２測定モードの夫々において、管の肉厚から算出される管の管壁の共振周波数に対して所定の周波数だけずれた特定送信周波数の特定超音波を管の表面から斜角入射し、受信用トランスデューサが、第１及び第２測定モードの夫々において、受信用トランスデューサに到達する超音波を受信し、音速算出部が、第１及び第２測定モードの夫々において受信用トランスデューサが受信した超音波の超音波受信信号から共振周波数に対応する受信信号を抽出して、これら両受信信号の伝播時間から管内流体の音速を算出する。【選択図】図４

Description

本発明は、管内流体の音速を測定する超音波式音速測定装置及び超音波式音速測定方法に関する。

かかる超音波式音速測定装置では、管内の流体にその流れに沿う方向とその流れに逆行する方向とのそれぞれの方向に超音波を入射してこれら超音波の両伝播時間を算出し、当該両伝播時間の逆数和から管内の流体の音速を算出することで、当該音速を予め測定しておいた種々の流体の音速と比較して、管内の流体のガス種を判定する構成が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

また、上記両伝播時間を算出する点で、上記超音波式音速測定装置に関連する技術である超音波流量計がある（例えば、特許文献２参照）。かかる超音波流量計では、管内の流体にその流れに沿う方向とその流れに逆行する方向とで超音波を斜角入射して、それぞれの方向での超音波の両伝播時間を算出し、当該両伝播時間の差から流体の流速を求め、さらにその流速と管断面積とから流量を求める構成が開示されている。その際、超音波の送受信を管の表面から行うクランプオン式の超音波流量計が、管を流れる流体の流量測定に用いられている。

特開２００７−１７１５７号公報 特開２００２−２５０６４４号公報

超音波式音速測定装置及び超音波流量計のいずれの場合でも、超音波の送受信を管の表面から行うクランプオン式を採用すると、受信される超音波受信信号には、管の表面への超音波の入射時に発生する表面波や板波、さらには管の表面と内面との間で反射を繰り返す反射波である、管自体を伝搬する周回波（ノイズ波）と、管の内面から流体内へ入射され、流体内を通過（透過）して、反対側の管の内面に入射される透過波とが含まれる。

ここで、上記両伝播時間を算出する際には、管内の流体を通過（透過）した透過波を利用する必要があるが、管の材料は金属や樹脂管等であり管内の流体（特に気体）との音響インピーダンスの差が大きいことから、管と流体との境界面の通過時に大きな音圧損失が生じ、透過波の超音波受信信号の強度を十分に確保することができない。この場合、単に強い超音波を送信することも考えられるが、透過波の超音波受信信号の強度を上げることができるものの、同時に周回波（ノイズ波）の超音波受信信号の強度も上がることとなる。
このため、従来から、当該透過波の超音波受信信号の強度を上げるため、管の肉厚から算出される当該管の管壁の共振周波数にて超音波の送信を行うことが提案されている。

しかしながら、送信する超音波の周波数を共振周波数に設定した場合でも、受信した超音波受信信号において、透過波の強度が共振により十分に増幅されていないこともあり、Ｓ／Ｎ比が十分ではないことがあった。このような場合、周回波（ノイズ波）及び透過波が混在していることから、周回波（ノイズ波）と透過波とを判別することが困難であり、超音波のうちの透過波の正確な伝播時間を算出することが困難な場合があった。

本発明は、かかる実状に鑑みて為されたものであって、その目的は、超音波受信信号のうちの透過波のＳ／Ｎ比を向上させ当該透過波を容易に判別できると共に、当該透過波の伝播時間及び流体の音速の正確な算出を行うことのできる超音波式音速測定装置及び超音波式音速測定方法を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る超音波式音速測定装置は、管内流体が通流する管の表面から超音波を斜角入射する送信用トランスデューサと、
前記送信用トランスデューサにて送信された超音波を前記管の表面にて受信する受信用トランスデューサと、
前記受信用トランスデューサを前記送信用トランスデューサより下流側に配置した第１測定モードにおける超音波受信信号と前記受信用トランスデューサを前記送信用トランスデューサより上流側に配置した第２測定モードにおける超音波受信信号との両伝播時間から、前記管内流体の音速を算出する音速算出部と、を備えた超音波式音速測定装置であって、その特徴構成は、
前記送信用トランスデューサが、前記第１測定モード及び前記第２測定モードの夫々において、前記管の肉厚から算出される前記管の管壁の共振周波数に対して所定の周波数だけずれた特定送信周波数の特定超音波を前記管の表面から斜角入射し、
前記受信用トランスデューサが、前記第１測定モード及び前記第２測定モードの夫々において、当該受信用トランスデューサに到達する超音波を受信し、
前記音速算出部が、前記第１測定モード及び前記第２測定モードの夫々において前記受信用トランスデューサが受信した超音波の超音波受信信号から前記共振周波数に対応する受信信号を抽出して、これら両受信信号の伝播時間から前記管内流体の音速を算出する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係る超音波式音速測定方法は、管内流体が通流する管の表面に配置された送信用トランスデューサから、管の肉厚から算出される前記管の管壁の共振周波数に対して所定の周波数だけずれた特定送信周波数の特定超音波を、前記管の表面から斜角入射するステップと、
前記管の表面に配置された受信用トランスデューサにより当該受信用トランスデューサに到達した超音波を受信するステップと、
前記受信用トランスデューサを前記送信用トランスデューサより下流側に配置した第１測定モードにおける超音波受信信号から前記共振周波数に対応する受信信号を抽出するとともに、前記受信用トランスデューサを前記送信用トランスデューサより上流側に配置した第２測定モードにおける超音波受信信号から前記共振周波数に対応する受信信号を抽出するステップと、
抽出された前記両受信信号の伝播時間から前記管内流体の音速を算出するステップと、を備えた点にある。

上記両構成によれば、第１測定モード及び第２測定モードの夫々において、送信用トランスデューサが、管の肉厚から算出される管の管壁の共振周波数に対して所定の周波数だけずれた特定送信周波数の特定超音波を管の表面から斜角入射し、受信用トランスデューサが、当該受信用トランスデューサに到達する超音波を受信する。
この受信用トランスデューサに到達し受信した超音波の超音波受信信号には、主として特定送信周波数成分及び共振周波数成分の各受信信号が含まれている。

特定送信周波数成分は、主として、送信用トランスデューサから送信されて、管の表面への超音波の入射時に発生する表面波や板波、さらには管の表面と内面との間で反射を繰り返す反射波である、管自体を伝播する周回波（ノイズ波）であるのに対して、共振周波数成分は、主として、管の内面から流体内へ入射され、流体内を通過（透過）して、反対側の管の内面に入射される透過波である。
即ち、送信用トランスデューサが、共振周波数に対して所定の周波数だけずれた特定送信周波数の特定超音波を管の表面から入射すると、管自体を伝播する周回波（ノイズ波）は、略特定送信周波数のままで受信用トランスデューサに到達するのに対して、特定送信周波数が管の管壁の共振周波数に比較的近い周波数範囲に設定されているため、管の内部の流体を通過（透過）する透過波は、管の管壁による共振により増幅された状態で、共振周波数にて受信用トランスデューサに到達する。さらに、管自体を伝播する周回波（ノイズ波）と透過波とでは、伝播速度が異なるため、受信用トランスデューサへの到達時間（伝播時間）に差を生じる。

従って、受信用トランスデューサにて受信された超音波受信信号において、共振周波数成分における透過波は共振により強度が増幅され、Ｓ／Ｎ比が向上している。そして、当該超音波受信信号から透過波を含む共振周波数成分のみを抽出することにより、特定送信周波数成分における周回波（ノイズ波）及び共振周波数成分におけるノイズ波から、透過波を容易に判別することができる。これにより、共振周波数成分における透過波から、当該透過波の伝播時間を正確に算出することができ、また、このような正確な伝播時間に基づいて流体の音速を正確に算出することができる。

よって、超音波受信信号のうちの透過波のＳ／Ｎ比を向上させ当該透過波を容易に判別できると共に、当該透過波の伝播時間及び流体の音速の正確な算出を行うことのできる超音波式音速測定装置及び超音波式音速測定方法を提供することができた。

本発明に係る超音波式音速測定装置の更なる特徴構成は、前記送信用トランスデューサにより送信される前記特定超音波の前記特定送信周波数が、前記共振周波数に対して±５％以上±５０％以下ずれた範囲内の周波数に設定されている点にある。

本発明に係る超音波式音速測定方法の更なる特徴構成は、前記送信用トランスデューサにより送信される前記特定超音波の前記特定送信周波数を、前記共振周波数に対して±５％以上±５０％以下ずれた範囲内の周波数に設定するステップを備える点にある。

上記両構成によれば、送信用トランスデューサにより送信される特定超音波の特定送信周波数が、共振周波数に対して±５％以上±５０％以下という比較的ずれの小さな範囲内の周波数に設定されているので、受信用トランスデューサにて受信される超音波受信信号のうち、主として共振周波数成分からなる透過波を確実に増幅させて当該透過波のＳ／Ｎ比を十分に向上させることができる構成としながら、加えて、当該超音波受信信号から透過波を含む共振周波数成分のみを抽出することにより、特定送信周波数成分における周回波（ノイズ波）及び共振周波数成分におけるノイズ波から、透過波をより容易に判別することができる。
なお、共振周波数に対する特定送信周波数のずれ幅が±５％よりも小さい場合には、周回波（ノイズ波）と透過波との判別が困難となる可能性があり、共振周波数に対する特定送信周波数のずれ幅が±５０％よりも大きな場合には、透過波の共振による増幅が十分ではなくなるため、共振周波数に対する特定送信周波数のずれ幅が±５％以上±５０％以下の周波数の範囲内に設定されている。

本発明に係る超音波式音速測定装置の更なる特徴構成は、音速算出部が、伝播時間を共振周波数に対応して抽出された受信信号の強度ピーク値が現出するまでの時間に設定するとともに、前記両伝播時間の逆数和に基づいて前記管内流体の音速を算出する点にある。

上記構成によれば、音速算出部が、伝播時間を共振周波数に対応して抽出された受信信号の強度ピーク値が現出するまでの時間に設定するので、当該受信信号（共振周波数成分における透過波）は共振により強度が増幅されており、強度ピーク値を容易に特定できると共に、強度ピーク値は十分な強度を備えている。これにより、強度ピーク値を用いて伝播時間をより正確且つ容易に特定することができる。

超音波式音速測定装置及び超音波式音速測定方法の基本的な構成を説明する模式図 送信用トランスデューサと受信用トランスデューサとを結ぶ面を切断面とする断面模式図 超音波式音速測定装置の概略構成を示す模式図 超音波式音速測定方法の概略フロー図 超音波受信信号の一例を示す波形図 超音波受信信号から抽出された共振周波数に対応する受信信号の一例を示す波形図 超音波受信信号、及び、当該超音波受信信号から抽出された共振周波数に対応する受信信号の一例を示す波形図

図１〜図７に基づいて、本発明の実施形態に係る超音波式音速測定装置及び超音波式音速測定方法について説明する。まず、図１の模式図を用いて、管１の内部を流れる流体（管内流体の一例）の音速を測定する基本原理を説明する。

図１に示すように、管１の内部には、都市ガス、空気、ＬＰＧ、水などの流体が流れている。なお、この流体は、気体でもよいし、液体でもよい。
超音波式音速測定装置は、超音波を送受信可能な一対の超音波トランスデューサを管１の表面に配置するクランプオン式であり、一方側の超音波トランスデューサが送信用トランスデューサ２として機能し、他方側の超音波トランスデューサが受信用トランスデューサ３として機能する。送信用トランスデューサ２により管１の表面（外周面）１１に送信され、流体を通過した超音波を受信用トランスデューサ３により管１の表面（外周面）１１から受信し、この受信信号を評価することで管１の内部を流れる流体の音速を測定する。

この音速測定には、超音波の伝播時間が用いられる。
具体的には、超音波を送受信可能な一対の超音波トランスデューサが上流側と下流側に配置される。上流側の超音波トランスデューサ（送信用トランスデューサ２）から超音波を送信して下流側の超音波トランスデューサ（受信用トランスデューサ３）で受信するまでの伝播時間と、下流側の超音波トランスデューサ（送信用トランスデューサ２）から超音波を送信して上流側の超音波トランスデューサ（受信用トランスデューサ３）で受信するまでの伝播時間との逆数和から、管１の内部を流れる流体の音速（当該流体中を伝播する超音波の音速）が求められる。ここでは、前者の配置構成での測定を第１測定モードと称し、後者の配置構成での測定を第２測定モードと称する。即ち、第１測定モードと第２測定モードとでは、２つの超音波トランスデューサにおいて、送信用トランスデューサ２と受信用トランスデューサ３との機能が逆転する。

図１に示すように、送信用トランスデューサ２から傾斜角θ１で管１の表面１１から管１に入った超音波は、横波超音波として傾斜角θ２で管壁内を伝播する。管１の内面１２に達した横波超音波は、入射角θ２で流体に入るが、その際に生じるモード変換によって縦波超音波として屈折角θ３で流体内を斜めに伝播する。流体を斜め横断して管１の内面１２に達した縦波超音波は再びモード変換を通じて横波超音波として管壁内に入り、管１の表面１１から出て受信用トランスデューサ３によって受信される。
ここで、流体を斜め横断する縦波超音波の伝播経路長をＬとし、管１を流れている気体の音速をＣとし、流体の速度をＶとし、第１測定モードでの伝播時間をＴ１とし、第２測定モードでの伝播時間をＴ２とすると、流体の音速Ｃは以下の式で表すことができる。
Ｃ＝（（１／Ｔ１）＋（１／Ｔ２））・（Ｌ/２） ・・・（式１）
よって、流体の音速Ｃは、Ｔ１、Ｔ２、Ｌにより求めることができる。

次に、超音波式音速測定装置の具体的構成について説明する。
超音波式音速測定装置は、図１を用いて説明した基本原理を実施するものであり、管１の表面１１に斜め対向設置される送信用（受信用）トランスデューサ２（３）及び受信用（送信用）トランスデューサ３（２）と、超音波処理ユニット５とを備えている。送信用トランスデューサ２と受信用トランスデューサ３の位置関係は、管１の表面１１から斜角入射された横波超音波が管１の内面１２でのモード変換で縦波超音波に変換され、流体を横断伝播した縦波超音波が再びガス管１の内面１２でモード変換して生じた横波超音波を管１の表面１１で受信されるように設定されている。
送信用トランスデューサ２及び受信用トランスデューサ３の超音波励起面には、管１の曲面とのマッチングおよび斜角入射を行なうためのシュー部材３１が装着されている。

送信用トランスデューサ２と受信用トランスデューサ３とは、管１の軸心に対して対向配置されている。受信用トランスデューサ３で受信される信号には、測定に必要な有効超音波とそれ以外のノイズ波が混じっている。
有効超音波（以下、透過波という場合がある）は、管１の表面１１から内面１２に向かって通過する超音波（縦波超音波であり、図２では符号Ｗｐ１で示している）と管１に内在する流体を横断（透過）して伝播する超音波（横波超音波であり、図２では符号Ｗｓで示している）と管１の内面１２から表面１１に向かって通過する超音波（縦波超音波であり、図２では符号Ｗｐ２で示している）といった形態を経て、受信用トランスデューサ３に達する。
ノイズ波（以下、周回波という場合があり、図２では符号Ｗｎで示している）は、送信用トランスデューサ２から送信された超音波が板波や表面波に分解されたものであり、その分解された超音波が、管壁に沿って拡散し、受信用トランスデューサ３に達して受信される。

下記では、管１内を気体（流体の一例）である都市ガスが通流している場合の例について説明する。
図３に示すように、超音波処理ユニット５は、送信用トランスデューサ２から送信され受信用トランスデューサ３に到達した超音波受信信号を評価する。その結果、第１測定モード及び第２測定モードでの、気体を斜め伝播する超音波の伝播時間Ｔ１、Ｔ２を算定し、気体の音速Ｃが算出され、結果的には気体のガス種が判定される。
このため、この超音波処理ユニット５には、切替スイッチ５０ａ、モード切替部５０、送信回路５１、受信回路５２、信号評価部５３、パラメータ設定部５４、表示部５５、送信用トランスデューサ２から送信される送信周波数の周波数を設定する送信周波数設定部５６が設けられている。

送信回路５１は、高圧パルスを発生させ送信用トランスデューサ２の圧電素子を励起し、超音波パルスを作り出す。この超音波パルスの周波数（特定超音波の特定送信周波数）は、後述するように送信周波数設定部５６にて設定される。
受信回路５２は、受信用トランスデューサ３で受信された超音波受信信号に対して増幅等の前処理を行なう。受信回路５２は、当該超音波受信信号の波形を表示部５５に送信し当該表示部５５に表示させることもできる。
表示部５５は、超音波受信信号の波形や算出された気体の音速Ｃや判定されたガス種などの情報を表示する、液晶等のディスプレイである。

切替スイッチ５０ａは、２つの超音波トランスデューサの一方を送信回路５１に接続し、他方を受信回路５２に選択的に接続するためのスイッチである。第１測定モードにおいて、モード切替部５０は、上流側に位置する超音波トランスデューサを送信回路５１に接続して送信用トランスデューサ２とするとともに、下流側に位置する超音波トランスデューサを受信回路５２に接続して受信側トランスデューサ３とするように、切替スイッチ５０ａに制御信号を与える。逆に、第２測定モードにおいて、モード切替部５０は、下流側に位置する超音波トランスデューサを送信回路５１に接続して送信用トランスデューサ２とするとともに、上流側に位置する超音波トランスデューサを受信回路５２に接続して受信側トランスデューサ３とするように、切替スイッチ５０ａに制御信号を与える。

パラメータ設定部５４は、信号評価部５３及び送信周波数設定部５６で用いられる各種パラメータが記録されており、測定時に図示されていない入力操作デバイスを通じて必要なパラメータが選択設定又は直接設定される。設定されるパラメータには、測定対象の気体が通流する管１の材質、肉厚及び管１自体（肉厚部分）の音速、予め測定した既知の気体の音速、使用する送信用トランスデューサ２及び受信用トランスデューサ３の周波数や管１への入射角、送信用トランスデューサ２及び受信用トランスデューサ３の間隔などが含まれる。

パラメータ設定部５４は、当該パラメータ設定部５４に記録されたパラメータを選択又は直接入力する形態で、管１の材質、肉厚及び管１自体の音速などの情報から、当該管１の管壁の共振周波数を設定する。
この共振周波数は、管１の材質、肉厚及び管１自体の音速との関係で下記式２が成立するため、予めこの式２をパラメータ設定部５４に記録しておくことで、管１の材質、肉厚及び管１自体の音速に応じて共振周波数を設定することができる。設定された共振周波数は、制御信号として送信周波数設定部５６に送られる。
ｆ_n＝（Ｎ×Ｗ）／２ｄ ・・・（式２）
ｆ_n：共振周波数、Ｎ：整数、Ｗ：管自体の音速、ｄ：管の肉厚

送信周波数設定部５６は、パラメータ設定部５４から送信された共振周波数の制御信号に対して所定の周波数だけずれた特定送信周波数の特定超音波を送信用トランスデューサ２から送信するように、送信回路５１に制御信号を送信する。
特定超音波の特定送信周波数は、共振周波数に対して±５％以上±５０％以下ずれた範囲内の周波数に設定され、より好ましくは、±８％以上±４０％以下ずれた範囲内の周波数に設定される。
例えば、後述するように、管１の材質が鉄、肉厚が３．２ｍｍ、管１自体の音速が３２４０ｍ／ｓｅｃであるから、共振周波数は１．１ＭＨｚに設定され、特定超音波の特定送信周波数は１．０ＭＨｚに設定される。
設定された特定超音波の特定送信周波数は、制御信号として送信回路５１に送られ、送信用トランスデューサ２により特定送信周波数の特定超音波を管１の表面１１に送信する。

信号評価部５３には、音速算出部５３ａ、ガス種判定部５３ｂ、表示データ生成部５３ｃが含まれている。
音速算出部５３ａは、第１測定モードにおける超音波受信信号（図１及び図３の実線）と第２測定モードにおける超音波受信信号（図１及び図３の破線）とから両超音波受信信号の伝播時間Ｔ１、Ｔ２を算出する。なお、シュー部材３１を含め、２つの超音波トランスデューサは同一形状であるので、第１測定モードと第２測定モードとにおいて管１の管壁を伝播する時間は同じである。したがって、伝播時間は流体（ここでは都市ガスなどの気体）を斜め横断する際の流体伝播経路（図１では長さＬで示されている）における伝播時間Ｔ１、Ｔ２に相当する。

音速算出部５３ａは、受信用トランスデューサ３にて受信し受信回路５１から送信された第１測定モード及び第２測定モードの各超音波受信信号から、共振周波数成分のみを周波数分離して抽出できるように構成されている。そして、抽出した共振周波数成分の受信信号の強度ピーク値を特定し、特定超音波の送信から当該強度ピーク値が現出するまでの時間を伝播時間Ｔ１、Ｔ２として算出する。
その後、これら伝播時間Ｔ１、Ｔ２及び伝播経路長Ｌから、式１を用いて管１内の気体の音速Ｃを算出する。音速算出部５３ａは、抽出した共振周波数成分の受信信号の波形、算出した伝播時間Ｔ１、Ｔ２や気体の音速Ｃを、表示部５５に送信し当該表示部５５に表示させることもできる。

ガス種判定部５３ｂは、音速算出部５３ａにより算出された気体の音速Ｃを、パラメータ設定部５４に予め記録された気体や液体等の流体の音速と比較して、近似した音速がある場合には、管１内を流れる気体のガス種を判定する。そして、ガス種判定部５３ｂは、判定したガス種を表示するための表示データを生成し、表示部５５に送る。なお、表示データ生成部５３ｄが、音速算出部５３ａやガス種判定部５３ｂ等から送信された気体の音速Ｃやガス種等を表示するための表示データを生成し、表示部５５に送ってもよい。

次に、上記構成の超音波式音速測定装置を用いて管１内の気体の音速及び当該気体のガス種を判定する超音波式音速測定方法について説明する。

まず、２つの超音波式トランスデューサを、上述のように管１の表面１１に装着する。
続いて、管１の材質、肉厚及び管１自体の音速を、予めパラメータ設定部５４に記録された管１の材質、肉厚及び管１自体の音速と照合して、当該管１の共振周波数を設定する（ステップ♯１）。例えば、管１の材質を鉄、肉厚を３．２ｍｍ、管１自体の音速を３２４０ｍ／ｓｅｃとして、管１の共振周波数を１．１ＭＨｚに設定する。設定された共振周波数は、パラメータ設定部５４から制御信号として送信周波数設定部５６に送られる。
そして、送信周波数設定部５６では、設定された共振周波数に対して所定の周波数だけずれた特定超音波の特定送信周波数を設定する。具体的には、特定送信周波数を、共振周波数から０．１ＭＨｚだけマイナス側にずれた１．０ＭＨｚに設定する。

その後、第１測定モードにおいて、上流側の送信用トランスデューサ２から特定送信周波数の特定超音波を送信し、受信用トランスデューサ３に到達した超音波を受信する（ステップ♯２〜４）。
また、第２測定モードにおいて、下流側の送信用トランスデューサ２から特定送信周波数の特定超音波を送信し、受信用トランスデューサ３に到達した超音波を受信する（ステップ♯５〜７）。

このように、共振周波数１．１ＭＨｚ及び特定超音波の特定送信周波数１．０ＭＨｚとした場合において、受信用トランスデューサ３にて受信された超音波受信信号の波形を、図５に示す。この超音波受信信号の波形には、主として共振周波数成分（１．１ＭＨｚ）及び特定送信周波数成分（１．０ＭＨｚ）の各受信信号が混在している状態である。

ここで、特定送信周波数成分は、主として、送信用トランスデューサ２から送信されて、管１の表面１１への超音波の入射時に発生する表面波や板波、さらには管１の表面１１と内面１２との間で反射を繰り返す反射波である、管１自体を伝搬する周回波（ノイズ波）であるのに対して、共振周波数成分は、主として、管１の内面１２から気体内へ入射され、気体内を通過（透過）して、反対側の管１の内面１２に入射される透過波である。
即ち、送信用トランスデューサ２が、共振周波数に対して所定の周波数だけずれた特定送信周波数の特定超音波を管１の表面１１から入射すると、管１自体を伝搬する周回波（ノイズ波）は、略特定送信周波数のままで受信用トランスデューサ３に到達するのに対して、管１の内部の気体を通過（透過）する透過波は、特定送信周波数が管１の管壁の共振周波数に比較的近い周波数範囲に設定されているため、管１の管壁による共振により増幅された状態で、共振周波数にて受信用トランスデューサ３に到達するのである。さらに、管１自体を伝播する周回波（ノイズ波）と透過波とでは、伝播速度が異なるため、受信用トランスデューサ３への到達時間（伝播時間）に差を生じる。

次に、この超音波受信信号から、共振周波数成分のみを周波数分離して抽出し（ステップ♯８）、抽出した共振周波数成分の受信信号の強度ピーク値を特定し、特定超音波の送信から当該強度ピーク値が現出するまでの時間を伝播時間Ｔ１、Ｔ２として算出する（ステップ♯９）。
具体的には、ステップ♯８では、図６に示すように、超音波受信信号（図５参照）から共振周波数成分のみを周波数分離して抽出する。そして、この抽出した共振周波数成分（受信信号の波形）においては、共振により透過波の強度が向上しておりＳ／Ｎ比が向上しているため、透過波を容易に特定することができると共に、当該透過波の強度ピーク値が明確に表れており、ステップ♯９において、強度ピーク値が現出するまでの時間（伝播時間Ｔ１、Ｔ２）を容易に特定することができる。

従って、受信用トランスデューサ３にて受信された超音波受信信号において、共振周波数成分における透過波は共振により強度が増幅され、Ｓ／Ｎ比が向上している。そして、当該超音波受信信号から透過波を含む共振周波数成分のみを抽出することにより、特定送信周波数成分における周回波（ノイズ波）及び共振周波数成分におけるノイズ波から、透過波を容易に判別することができる。これにより、共振周波数成分における透過波から、当該透過波の伝播時間を正確に算出することができ、また、このような正確な伝播時間に基づいて流体の音速を正確に算出することができる。
特に、特定送信周波数が、共振周波数に対して±５％以上±５０％以下という比較的ずれの小さな範囲内の周波数に設定されているので、受信用トランスデューサ３にて受信される超音波受信信号のうち、主として共振周波数成分からなる透過波を確実に増幅させて当該透過波のＳ／Ｎ比を十分に向上させることができる構成としながら、加えて、当該超音波受信信号から透過波を含む共振周波数成分のみを抽出することにより、特定送信周波数成分における周回波（ノイズ波）及び共振周波数成分におけるノイズ波から、透過波をより容易に判別することができる。

そして、式１により、算出した両伝播時間Ｔ１、Ｔ２及び伝播経路長Ｌから、管１内の気体の音速Ｃを算出する（ステップ♯１０）。即ち、両伝播時間Ｔ１、Ｔ２の逆数和から気体の音速Ｃを算出し、当該音速Ｃを表示部５５に表示する。
よって、超音波受信信号のうちの透過波を容易に判別できると共にＳ／Ｎ比を向上させ、当該透過波の伝播時間及び気体の音速Ｃの正確な算出を行うことができる。

その後、算出した気体の音速Ｃを、パラメータ設定部５４に予め記録された既知の気体や液体の音速と比較し、近似した音速がある場合には、管１内の気体が当該音速の気体であるとガス種を判定し（ステップ♯１１）、判定したガス種を表示部５５に表示する。
よって、より正確に算出された気体の音速Ｃを用いてガス種の判定を行うことができ、ガス種の判定も正確に行うことができる。

［別実施形態］
（１）上記実施形態では、管１の管壁の共振周波数を１．１ＭＨｚに設定し、送信用トランスデューサ２が送信する特定超音波の特定送信周波数を１．０ＭＨｚに設定する例について説明したが、共振周波数は、管１の材質や肉厚等に応じて適宜設定することができ、特定超音波の特定送信周波数も、共振周波数成分のＳ／Ｎ比を向上させ共振周波数成分のうちの透過波を適切に判別できる構成であれば、当該共振周波数に対して所定の周波数だけずれた周波数に適宜設定することができる。

例えば、管１の材質を鉄、肉厚を３．２ｍｍ、管１自体の音速を３２４０ｍ／ｓｅｃとして、共振周波数を１．１ＭＨｚに設定し、特定超音波の特定送信周波数を８００ｋＨｚに設定することもできる。
この場合、図７に示すように、受信用トランスデューサ３により受信された超音波受信信号の波形には、主として共振周波数成分（１．１ＭＨｚ）及び特定送信周波数成分（８００ｋＭＨｚ）の各受信信号が混在している状態である。
この超音波受信信号から、共振周波数成分のみを周波数分離して抽出し、抽出した共振周波数成分の受信信号の強度ピーク値を特定し、特定超音波の送信から当該強度ピーク値が現出するまでの時間を伝播時間Ｔ１、Ｔ２として算出する。
従って、受信用トランスデューサ３にて受信された超音波受信信号において、共振周波数成分における透過波は共振により強度が増幅され、Ｓ／Ｎ比が向上している。そして、当該超音波受信信号から透過波を含む共振周波数成分のみを抽出することにより、特定送信周波数成分における周回波（ノイズ波）及び共振周波数成分におけるノイズ波から、透過波を容易に判別することができる。これにより、共振周波数成分における透過波から、当該透過波の伝播時間Ｔ１、Ｔ２を正確に算出することができ、また、このような正確な伝播時間Ｔ１、Ｔ２に基づいて流体の音速Ｃを正確に算出することができる。
なお、図７に示すように、受信用トランスデューサ３にて受信された超音波受信信号において、抽出した共振周波数成分は、基本的に当該超音波受信信号と同様の強度変動（超音波受信信号の強度に対して所定割合で減衰した強度）を備えた波形となっているが、共振周波数成分のうち管１内の気体を通過（透過）した部分（透過波）については、共振により強度が増幅されているため、当該超音波受信信号の強度に対する減衰割合が低くなる。従って、抽出した共振周波数成分のうち、当該減衰割合が低い部位を透過波と特定することができ、当該透過波の強度ピーク値を伝播時間Ｔ１、Ｔ２の算出に用いることができる。
加えて、共振周波数成分である透過波は、共振により強度が増幅されているので、当該透過波の伝播時間をより正確に算出することができ、このような正確な伝播時間に基づいて流体の音速を正確に算出することができる。

（２）上記実施形態では、流体の音速の算出に当たり、第１測定モードと第２測定モードとで、縦波超音波が流体を１回のみ斜め横断する際の両伝播時間を用いたが、これに限らず、縦波超音波が、管１の内面１２で繰り返す反射波を利用して、流体を２回以上斜め横断する際の両伝播時間を用いて流体の音速を算出することもできる。

（３）上記実施形態では、流体（管内流体）として都市ガス等の気体を例に説明したが、水等の液体であってもよい。

本発明は、超音波受信信号のうちの透過波のＳ／Ｎ比を向上させ当該透過波を容易に判別できると共に、当該透過波の伝播時間及び流体の音速の正確な算出を行うことのできる超音波式音速測定装置及び超音波式音速測定方法に適用できる。

１ 管
２ 送信用トランスデューサ（超音波トランスデューサ）
３ 受信用トランスデューサ（超音波トランスデューサ）
１１ 表面
５３ａ 音速算出部
Ｔ１ 伝播時間（第１測定モード）
Ｔ２ 伝播時間（第２測定モード）
Ｃ 気体（流体）の音速

Claims (5)

1. 管内流体が通流する管の表面から超音波を斜角入射する送信用トランスデューサと、
   前記送信用トランスデューサにて送信された超音波を前記管の表面にて受信する受信用トランスデューサと、
   前記受信用トランスデューサを前記送信用トランスデューサより下流側に配置した第１測定モードにおける超音波受信信号と前記受信用トランスデューサを前記送信用トランスデューサより上流側に配置した第２測定モードにおける超音波受信信号との両伝播時間から、前記管内流体の音速を算出する音速算出部と、を備えた超音波式音速測定装置であって、
   前記送信用トランスデューサが、前記第１測定モード及び前記第２測定モードの夫々において、前記管の肉厚から算出される前記管の管壁の共振周波数に対して所定の周波数だけずれた特定送信周波数の特定超音波を前記管の表面から斜角入射し、
   前記受信用トランスデューサが、前記第１測定モード及び前記第２測定モードの夫々において、当該受信用トランスデューサに到達する超音波を受信し、
   前記音速算出部が、前記第１測定モード及び前記第２測定モードの夫々において前記受信用トランスデューサが受信した超音波の超音波受信信号から前記共振周波数に対応する受信信号を抽出して、これら両受信信号の伝播時間から前記管内流体の音速を算出する超音波式音速測定装置。
2. 前記送信用トランスデューサにより送信される前記特定超音波の前記特定送信周波数が、前記共振周波数に対して±５％以上±５０％以下ずれた範囲内の周波数に設定されている請求項１に記載の超音波式音速測定装置。
3. 前記音速算出部が、前記伝播時間を前記共振周波数に対応して抽出された受信信号の強度ピーク値が現出するまでの時間に設定するとともに、前記両伝播時間の逆数和に基づいて前記管内流体の音速を算出する請求項１又は２に記載の超音波式音速測定装置。
4. 管内流体が通流する管の表面に配置された送信用トランスデューサから、管の肉厚から算出される前記管の管壁の共振周波数に対して所定の周波数だけずれた特定送信周波数の特定超音波を、前記管の表面から斜角入射するステップと、
   前記管の表面に配置された受信用トランスデューサにより当該受信用トランスデューサに到達した超音波を受信するステップと、
   前記受信用トランスデューサを前記送信用トランスデューサより下流側に配置した第１測定モードにおける超音波受信信号から前記共振周波数に対応する受信信号を抽出するとともに、前記受信用トランスデューサを前記送信用トランスデューサより上流側に配置した第２測定モードにおける超音波受信信号から前記共振周波数に対応する受信信号を抽出するステップと、
   抽出された前記両受信信号の伝播時間から前記管内流体の音速を算出するステップと、を備えた超音波式音速測定方法。
5. 前記送信用トランスデューサにより送信される前記特定超音波の前記特定送信周波数を、前記共振周波数に対して±５％以上±５０％ずれた範囲内の周波数に設定するステップを備える請求項４に記載の超音波式音速測定方法。

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