JP6454982B2 - 超音波流量計 - Google Patents

Description

本発明は、トランスデューサを用いて管路内部を流れる流体の流量を測定する超音波流量計に関する。

従来から、超音波が物質を透過して伝搬する性質を利用して、流体が流れる配管の外側や内側から超音波を出力（入射）し、かかる流体の流速および流量を測定する超音波流量計が知られている。超音波流量計の原理としては、伝搬時間差法、ドップラ法および反射相関法等さまざまな方法を用いたものがある。

上記の超音波流量計としては、例えば特許文献１の超音波流量計を挙げることができる。特許文献１の超音波流量計では、配管の上流側および下流側に一対の送受信超音波振動子（以下、トランスデューサと称する）を配置している。かかる超音波流量計では、上流側から下流側に向かう超音波の伝播時間、および下流側から上流側へ向かう超音波の伝搬時間の時間差を求めることにより、伝搬時間差法を利用して配管中を流れる流体の流速ひいては流量を算出することができる。また特許文献１の超音波流量計では、一方のトランスデューサから入射した超音波が、配管内を流れる流体に含まれる超音波反射体に反射した反射波を他方のトランスデューサで受信することにより、反射相関法およびドップラ法による流体の流速および流量を算出することも可能である。

特開２０１０−１０１７６７号公報

上記特許文献１の超音波流量計によれば、測定対象に応じて伝搬時間差法と反射相関法およびドップラ法を使い分けることにより、より正確な流量測定が可能となる。しかしながら、特許文献１のように２つのトランスデューサを用いる場合、上流側用トランスデューサと下流側用トランスデューサを逆に配置してしまうということが起こりうる。

例えば伝搬時間差法では、下記の式１によって伝搬時間差を算出し、算出した伝搬時間差を用いて式２により流体の流速を求め、求めた流速に配管の断面積を乗算することにより流量を求める。なお、Δｔは伝搬時間差であり、ｔｕは上流から下流へ向かう超音波の伝搬時間であり、ｔｄは下流から上流へ向かう超音波の伝搬時間である。またＣは流体中の音速、Ｌは配管内の超音波伝搬経路、θは配管内の超音波の進行方向と流れの軸方向との成す角度（＜９０°）である。
Δｔ＝ｔｕ−ｔｄ …式１
Ｖ＝（Ｃ^２／２Ｌｃｏｓθ）・Δｔ …式２

上記式１および式２からわかるように、上流側用トランスデューサと下流側用トランスデューサが逆に配置されると、伝搬時間差Δｔの正負が逆になってしまうため、流速Ｖの符号も当然にして逆となる。すると、流体が上流側から下流側に向かって流れているのか、または下流側から上流側へ向かう逆流が生じているのかを判断することができなくなってしまう。このため、上流側用トランスデューサと下流側用トランスデューサが逆に配置された場合には正確な測定を行うことができず、トランスデューサを設置し直す必要がある。

しかしながら、設置時において上流側用トランスデューサおよび下流側用トランスデューサの位置は一意に決められるものではなく、作業員が超音波信号をモニタしながら、トランスデューサ間をｍｍ単位で調整しなくてはならない。このため、トランスデューサを設置し直す際には煩雑な手間と時間を要し、作業効率の低下を招いてしまう。特に、トランスデューサ、およびそれを配管に固定するための固定具が一体となったタイプの超音波流量計であると、設置し直しの作業により多くの手間および時間がかかるため、作業効率は更に低下してしまう。

トランスデューサを設置し直す際の手間および時間を低減する手段としては、例えばトランスデューサと変換器（演算部）とを接続するケーブルとを別体、すなわち脱着可能とすることが考えられる。しかし、そのためにはトランスデューサの接続口に専用の接続プラグを設けなくてはならないため、装置コストの増大を招いてしまう。またこのような構成であっても、上流側と下流側とのケーブルの交換が必要となるため、低減されたとは言え、やはり手間や時間がかかることには変わりない。

本発明は、このような課題に鑑み、上流側用および下流側用トランスデューサを逆に設置してしまった場合であっても、装置コストの増大を招かず且つ設置し直す際の手間および時間を要することなく測定を良好に行うことが可能な超音波流量計を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明にかかる超音波流量計の代表的な構成は、少なくとも一対となる上流側用トランスデューサと下流側用トランスデューサを用いて管路内部を流れる流体の流量を測定する超音波流量計であって、当該超音波流量計の動作を制御する制御部と、超音波を出力するための信号を送信する超音波送信部と、受信した信号を増幅してＡ／Ｄ変換する超音波受信部と、超音波送信部および超音波受信部と、上流側用トランスデューサおよび下流側用トランスデューサとの接続を切り換える切換部と、を備え、制御部は、通常モードでは時間をおいて出力した超音波の反射信号の相関をとって移動量を求め、さらに上下逆転モードを設定可能であって、上下逆転モードにおいては、切換部における上流側用トランスデューサと下流側用トランスデューサの接続を逆転させることを特徴とする。

上記構成によれば、上下逆転モードにおいて上流側用トランスデューサおよび下流側用トランスデューサの切換を逆転させることができる。これにより、上流側用トランスデューサおよび下流側用トランスデューサを逆に設置してしまった際に、上流側に配置された下流側用トランスデューサを上流側用トランスデューサとして、下流側に配置された上流側用トランスデューサを下流側用トランスデューサとして機能させることができる。

このとき、超音波流量計の動作モードを上下逆転モードにする処理だけでよいことから、装置への新たな部品の追加や、トランスデューサを設置し直す作業が不要である。したがって、上流側用および下流側用トランスデューサを逆に設置してしまった場合であっても、装置コストの増大を招かず且つ設置し直す際の手間および時間を要することなく測定を良好に行うことが可能となる。

上記課題を解決するために、本発明にかかる超音波流量計の他の構成は、上流側または下流側に超音波の出力方向を傾けて設置されるトランスデューサを用いて管路内部を流れる流体の流量を測定する超音波流量計であって、当該超音波流量計の動作を制御する制御部と、超音波を出力するための信号を送信する超音波送信部と、受信した信号を増幅してＡ／Ｄ変換する超音波受信部と、を備え、さらに上下逆転モードを設定可能であって、上下逆転モードにおいては、測定された流速の符号を反転することを特徴とする。

このように、測定された流速の符号を反転させることによっても、上流側用および下流側用トランスデューサを逆に設置してしまった際の流速を正しい値に補正することができる。したがって、上述した超音波流量計と同様の効果を得ることが可能である。

上記課題を解決するために、本発明にかかる超音波流量計の他の構成は、少なくとも一対となる上流側用トランスデューサと下流側用トランスデューサを用いて管路内部を流れる流体の流量を測定する超音波流量計であって、当該超音波流量計の動作を制御する制御部と、超音波を出力するための信号を送信する超音波送信部と、受信した信号を増幅してＡ／Ｄ変換する超音波受信部と、を備え、制御部は、通常時は切換部を切り替えて上流側用トランスデューサと下流側用トランスデューサで交互に超音波の送信と受信を行うことにより伝搬時間差にもとづいて流速を算出し、さらに上下逆転モードを設定可能であって、上下逆転モードにおいては、上流から下流に送信した際の伝搬時間の変数と、下流から上流に送信した際の伝搬時間の変数の定義を入れ換えて演算を行うことを特徴とする。

このように、上流から下流、および下流から上流に送信した際の伝搬時間の変数の定義を入れ替えて演算を行うことによっても、上流側用および下流側用トランスデューサを逆に設置してしまった際の流速を正しい値とすることができる。したがって、上述した超音波流量計と同様の効果が得られる。

本発明によれば、上流側用および下流側用トランスデューサを逆に設置してしまった場合であっても、装置コストの増大を招かず且つ設置し直す際の手間および時間を要することなく測定を良好に行うことが可能な超音波流量計を提供することができる。

本実施形態にかかる超音波流量計を例示する図である。 本実施形態にかかる超音波流量計を例示する図である。 図１および図２に示す超音波流量計の動作の第１実施形態について説明するフローチャートである。 図１および図２に示す超音波流量計の動作の第２実施形態について説明するフローチャートである。 図１および図２に示す超音波流量計の動作の第３実施形態について説明するフローチャートである。 図１および図２に示す超音波流量計の動作の第４実施形態について説明するフローチャートである。 図１および図２に示す超音波流量計の動作の第５実施形態について説明するフローチャートである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１および図２は、本実施形態にかかる超音波流量計１００を例示する図である。図１は、上流側用トランスデューサ１１０ａおよび下流側用トランスデューサ１１０ｂを配管１０２に対して正しい位置に設置した場合を例示していて、図２は、上流側用トランスデューサ１１０ａおよび下流側用トランスデューサ１１０ｂを逆の位置に設置した場合を例示している。

本実施形態にかかる超音波流量計１００は、一対となる上流側用トランスデューサ１１０ａと下流側用トランスデューサ１１０ｂを用いて配管１０２（管路）の内部を流れる流体の流量を測定する。図１および図２に示すように、本実施形態の超音波流量計１００は、上流側用トランスデューサ１１０ａ、下流側用トランスデューサ１１０ｂおよび変換器１２０を含んで構成される。

図１に示すように、上流側用トランスデューサ１１０ａは、配管１０２内を流れる流体の流れ方向の上流側において、かかる配管１０２の外側に固定金具１１２ａによって取り付けられる。下流側用トランスデューサ１１０ｂは、配管１０２内を流れる流体の流れ方向の下流側において、かかる配管１０２の外側に固定金具１１２ｂによって取り付けられる。また上流側用トランスデューサ１１０ａおよび下流側用トランスデューサ１１０ｂは、結合ケーブル１１４によって束ねられた接続ケーブル１１４ａ・１１４ｂによってそれぞれ変換器１２０の接続口１２０ａに接続されている。

変換器１２０は、制御部１２２、操作部１２４、表示部１２６、超音波送信部１２８ａ、超音波受信部１２８ｂおよび切換部１３０を含んで構成される。制御部１２２は、中央処理装置（ＣＰＵ）を含む半導体集積回路により超音波流量計１００の動作を管理および制御する。操作部１２４は、キーボード、十字キー、ジョイスティック等の複数のキー（スイッチ）およびマウスから構成され、ユーザの操作入力を受け付ける。

表示部１２６は、液晶ディスプレイ、ＥＬ（Electro Luminescence）、ＰＤＰ(Plasma Display Panel)等で構成され、アプリケーションのＧＵＩ（Graphical User Interface）を表示することができる。また感圧式または静電式のタッチセンサを操作部１２４とし、それを表示部１２６に重畳することにより、表示部１２６を、タッチパネル式の操作部として機能させることも可能である。

超音波送信部１２８ａ（送信回路とも称される）は、上流側用トランスデューサ１１０ａまたは下流側用トランスデューサ１１０ｂのうち、超音波の送信側となるトランスデューサに、超音波を出力するための信号である超音波入力信号（送信電圧）を送信する、すなわちパルサー（パルスジェネレーター）である。超音波受信部１２８ｂ（受信回路とも称される）は、上流側用トランスデューサ１１０ａまたは下流側用トランスデューサ１１０ｂのうち、超音波またはその反射波を受信したトランスデューサの信号（受信信号）を増幅し、アナログ信号としての受信信号をデジタル信号に変換する（Ａ／Ｄ変換する）。

切換部１３０は、制御部１２２による制御に基づき、超音波送信部１２８ａおよび超音波受信部１２８ｂと、上流側用トランスデューサ１１０ａおよび下流側用トランスデューサ１１０ｂとの接続を切り換える。詳細には、図１および図２に示すように、切換部１３０は、上流側送信スイッチ１３２ａ、下流側送信スイッチ１３２ｂ、上流側受信スイッチ１３４ａおよび下流側受信スイッチ１３４ｂを含んで構成される。

切換部１３０において、超音波送信部１２８ａと上流側送信スイッチ１３２ａが接続されることにより、超音波送信部１２８ａからの超音波入力信号は上流側用トランスデューサ１１０ａに送信される。これにより、上流側用トランスデューサ１１０ａが超音波を送信する側のトランスデューサとして機能する（上流側用トランスデューサ１１０ａから超音波が発振される）。一方、切換部１３０において、超音波送信部１２８ａと下流側送信スイッチ１３２ｂが接続されることにより、超音波送信部１２８ａからの超音波入力信号が下流側用トランスデューサ１１０ｂに送信される。これにより、下流側用トランスデューサ１１０ｂが超音波を送信する側のトランスデューサとして機能する（下流側用トランスデューサ１１０ｂから超音波が発振される）。

また切換部１３０において、超音波受信部１２８ｂと上流側受信スイッチ１３４ａが接続されることにより、上流側用トランスデューサ１１０ａにおいて受信された超音波または反射波の受信信号が超音波受信部１２８ｂに送信される（上流側用トランスデューサ１１０ａが受信側のトランスデューサとして機能する）。一方、切換部１３０において、超音波受信部１２８ｂと下流側受信スイッチ１３４ｂが接続されることにより、下流側用トランスデューサ１１０ｂにおいて受信された超音波または反射波の受信信号が超音波受信部１２８ｂに送信される（下流側用トランスデューサ１１０ｂが受信側のトランスデューサとして機能する）。

本実施形態の特徴として、超音波流量計１００では、操作部１２４を介したユーザ入力に応じて上下反転モードを設定可能である。以下、通常モードおよび上下反転モードにおける超音波流量計１００の動作を、フローチャートを参照して説明する。

（第１実施形態）
図３は、図１および図２に示す超音波流量計１００の動作の第１実施形態について説明するフローチャートである。図３に示すように、第１実施形態の超音波流量計１００では、操作部１２４においてユーザ入力を受け付けたら（ステップＳ２０２のＹＥＳ）、制御部１２２は、そのユーザ入力が上下逆転モードであるか否かを判断する（ステップＳ２０４）。

図１に示すように、上流側用トランスデューサ１１０ａが配管１０２の上流側に、下流側用トランスデューサ１１０ｂが配管１０２の下流側に設置されている場合、すなわち上流側用トランスデューサ１１０ａおよび下流側用トランスデューサ１１０ｂが正しく設置されている場合、ユーザは通常モードを選択する。一方、下流側用トランスデューサ１１０ｂが配管１０２の上流側に、上流側用トランスデューサ１１０ａが配管１０２の下流側に設置されている場合、すなわち上流側用トランスデューサ１１０ａと下流側用トランスデューサ１１０ｂとが逆に設置されている場合ユーザは、上下逆転モードを選択する。

制御部１２２は、ユーザ入力が上下逆転モードでなかった場合（ステップＳ２０４のＮＯ）、超音波流量計１００の動作モードを通常モードに設定する（ステップＳ２０６）。通常モード（ステップＳ２０６）での動作では、制御部１２２は、切換部１３０のスイッチング（スイッチの切換）を制御し、超音波送信部１２８ａと上流側送信スイッチ１３２ａを接続し（ステップＳ２１０）、超音波受信部１２８ｂと下流側受信スイッチ１３４ｂを接続する（ステップＳ２１２）。これにより、上流側送信スイッチ１３２ａおよび下流側受信スイッチ１３４ｂがＯＮの状態となり、上流側用トランスデューサ１１０ａが送信側トランスデューサとして、下流側用トランスデューサ１１０ｂが受信側トランスデューサとして機能する。

続いて制御部１２２は、上流から下流への超音波の伝搬時間データを取得する（ステップＳ２１４）。詳細には、制御部１２２は、超音波送信部１２８ａによって上流側用トランスデューサ１１０ａに超音波入力信号を送信することにより上流側用トランスデューサ１１０ａから超音波を出力する。そして、制御部１２２は、配管１０２内の流体を通過して下流側用トランスデューサ１１０ｂで受信された超音波の受信信号を超音波受信部１２８ｂにおいて増幅およびＡ／Ｄ変換することにより、上流から下流へ伝搬した超音波の伝搬時間ｔｕを算出する。

上流から下流へ伝搬した超音波の伝搬時間ｔｕを算出したら、制御部１２２は切換部１３０を制御し、スイッチの切換を行う。具体的には、制御部１２２は、超音波送信部１２８ａと下流側送信スイッチ１３２ｂを接続し（ステップＳ２１６）、超音波受信部１２８ｂと上流側受信スイッチ１３４ａを接続する（ステップＳ２１８）。これにより、下流側送信スイッチ１３２ｂおよび上流側受信スイッチ１３４ａがＯＮの状態となり、下流側用トランスデューサ１１０ｂが送信側トランスデューサとして、上流側用トランスデューサ１１０ａが受信側トランスデューサとして機能する。

続いて制御部１２２は、下流から上流への超音波の伝搬時間データを取得する（ステップＳ２２０）。詳細には、制御部１２２は、超音波送信部１２８ａによって下流側用トランスデューサ１１０ｂに超音波入力信号を送信することにより下流側用トランスデューサ１１０ｂから超音波を出力する。そして、制御部１２２は、配管１０２内の流体を通過して上流側用トランスデューサ１１０ａで受信された超音波の受信信号を超音波受信部１２８ｂにおいて増幅およびＡ／Ｄ変換することにより、下流から上流へ伝搬した超音波の伝搬時間ｔｄを算出する。

ステップＳ２１４において伝搬時間ｔｕを、ステップＳ２２０において伝搬時間ｔｄのデータを取得したら、制御部１２２は、伝搬時間ｔｕから伝搬時間ｔｄを減算して伝搬時間差Δｔを算出し、かかる伝搬時間差Δｔを用いて流体の流速および流量を演算する（ステップＳ２２２）。すなわち第１実施形態では、制御部１２２は、切換部１３０を切り替えて上流側用トランスデューサ１１０ａと下流側用トランスデューサ１１０ｂで交互に超音波の送信と受信を行うことにより伝搬時間差にもとづいて流速を算出している。そして、制御部１２２は、ステップＳ２２２において算出した流速および流体の演算結果を表示部１２６に出力する（ステップＳ２２４）。

ここで図２に示すように、上流側用トランスデューサ１１０ａと下流側用トランスデューサ１１０ｂとが逆に設置されている場合、上述した通常モード（ステップＳ２０６〜ステップＳ２２４）によって測定を行うと、伝搬時間ｔｕと伝播時間ｔｄとの差分である伝搬時間差Δｔの正負、ひいては流速Ｖの符号が逆になってしまう。すると、流体が上流側から下流側に向かって流れているのか、または下流側から上流側へ向かう逆流が生じているのかを判断することができなくなってしまう。このため、上流側用トランスデューサ１１０ａと下流側用トランスデューサ１１０ｂとを正しい位置に設置しなおす必要があるが、位置を設置し直す作業には多大な手間および時間を要し、作業効率が低下してしまう。

そこで本実施形態では、図２に示すように上流側用トランスデューサ１１０ａと下流側用トランスデューサ１１０ｂとが逆に設置されている場合、すなわちユーザ入力が上下逆転モードであった場合（ステップＳ２０４のＹＥＳ）、制御部１２２は、超音波流量計１００の動作モードを上下逆転モードに設定する（ステップＳ２０８）。具体的には、上下逆転モードでは、制御部１２２は、切換部１３０における上流側用トランスデューサ１１０ａと下流側用トランスデューサ１１０ｂの切り換えを、通常モードのスイッチング（ステップＳ２１０、ステップＳ２１２、ステップＳ２１６、ステップＳ２１８）と逆転させる。

上下逆転モード（ステップＳ２０８）での動作では、制御部１２２は、切換部１３０のスイッチング（スイッチの切換）を制御し、超音波送信部１２８ａと下流側送信スイッチ１３２ｂを接続し（ステップＳ２３０）、超音波受信部１２８ｂと上流側受信スイッチ１３４ａを接続する（ステップＳ２３２）。これにより、下流側送信スイッチ１３２ｂおよび上流側受信スイッチ１３４ａがＯＮの状態となり、上流側に設置された下流側用トランスデューサ１１０ｂが送信側トランスデューサとして、下流側に設置された上流側用トランスデューサ１１０ａが受信側トランスデューサとして機能する。

続いて制御部１２２は、上流から下流への超音波の伝搬時間データを取得する（ステップＳ２３４）。詳細には、制御部１２２は、下流側用トランスデューサ１１０ｂから超音波を出力し、配管１０２内の流体を通過して上流側用トランスデューサ１１０ａで受信された超音波の受信信号により、上流から下流へ伝搬した超音波の伝搬時間ｔｕを算出する。

上流から下流へ伝搬した超音波の伝搬時間ｔｕを算出したら、制御部１２２は切換部１３０を制御し、スイッチの切換を行う。具体的には、制御部１２２は、超音波送信部１２８ａと上流側送信スイッチ１３２ａを接続し（ステップＳ２３６）、超音波受信部１２８ｂと下流側受信スイッチ１３４ｂを接続する（ステップＳ２３８）。これにより、上流側送信スイッチ１３２ａおよび下流側受信スイッチ１３４ｂがＯＮの状態となり、下流側に設置された上流側用トランスデューサ１１０ａが送信側トランスデューサとして、上流側に設置された下流側用トランスデューサ１１０ｂが受信側トランスデューサとして機能する。

続いて制御部１２２は、下流から上流への超音波の伝搬時間データを取得する（ステップＳ２４０）。詳細には、制御部１２２は、上流側用トランスデューサ１１０ａから超音波を出力し、配管１０２内の流体を通過して下流側用トランスデューサ１１０ｂで受信された超音波の受信信号により、下流から上流へ伝搬した超音波の伝搬時間ｔｄを算出する。

ステップＳ２３４において伝搬時間ｔｕを、ステップＳ２４０において伝搬時間ｔｄのデータを取得したら、制御部は、伝搬時間ｔｕから伝搬時間ｔｄを減算して伝搬時間差Δｔを算出し、かかる伝搬時間差Δｔを用いて流体の流速および流量を演算する（ステップＳ２４２）。そして、制御部１２２は、ステップＳ２４２において算出した流速および流体の演算結果を表示部に出力する（ステップＳ２４４）。

上記説明したように、超音波流量計１００における第１実施形態の動作では、上下逆転モードでは、切換部１３０のスイッチング、すなわち上流側用トランスデューサ１１０ａおよび下流側用トランスデューサ１１０ｂの切換を通常時と逆転させることにより、下流側に配置された上流側用トランスデューサ１１０ａを下流側のトランスデューサとして、上流側に配置された下流側用トランスデューサ１１０ｂを上流側のトランスデューサとして機能させている。したがって、伝搬時間ｔｕから伝搬時間ｔｄを減算して求められる伝搬時間差Δｔの符号は正しい符号となるため、それによって算出する流速Ｖも正しい値となる。

上記のように、超音波流量計１００の第１実施形態の動作によれば、装置への新たな部品の追加や、トランスデューサを設置し直す必要なく、超音波流量計の動作モードを上下逆転モードにする１つの処理のみで正しい流速Ｖひいては流量を算出することができる。したがって、したがって、上流側用および下流側用のトランスデューサを逆に設置してしまった場合であっても、装置コストの増大を招かず且つ設置し直す際の手間および時間を要することなく正確な測定を行うことが可能となる。

（第２実施形態）
図４は、図１および図２に示す超音波流量計１００の動作の第２実施形態について説明するフローチャートである。なお、以下に説明する第２実施形態以降では、第１実施形態と同様の処理については、同一の符号を付すことにより説明を省略する。図４に示すように、第２実施形態の動作においても、通常モード（ステップＳ２０６）では、第１実施形態と同様にステップＳ２１０〜ステップＳ２２４と同様の処理が行われる。

一方、第２実施形態の上下逆転モードでは、制御部１２２は、符号反転処理（ステップＳ２５０）を行う。詳細には、第２実施形態では、上下反転モードにおいて、制御部１２２は、第１実施形態のステップＳ２１０〜ステップＳ２２０と同様の処理（第１実施形態の通常モードの処理）を行うことにより、流速および流量を演算する（ステップＳ２２２）。

ここで第１実施形態において説明したように、図２に示すように上流側用トランスデューサ１１０ａと下流側用トランスデューサ１１０ｂが逆に設置されている場合、ステップＳ２２２において算出される流速は符号が逆転してしまう。そこで第２実施形態の上下逆転モードでは、ステップＳ２５０の符号反転処理において、ステップＳ２２２で算出された（測定された）流速および流量の符号を反転させる。これにより、超音波流量計１００の動作モードを上下逆転モードにする１つの処理のみで正しい流速Ｖひいては流量を算出することができるため、第１実施形態と同様の効果を得ることが可能となる。

（第３実施形態）
図５は、図１および図２に示す超音波流量計１００の動作の第３実施形態について説明するフローチャートである。図５に示すように、第３実施形態の動作においても、通常モード（ステップＳ２０６）では、第１実施形態と同様にステップＳ２１０〜ステップＳ２２４と同様の処理が行われる。

一方、第３実施形態の上下逆転モードでは、ステップＳ２１４において伝搬時間ｔｕを、ステップＳ２２０において伝搬時間ｔｄのデータを取得したら、制御部１２２は、変数定義入換処理（ステップＳ２５２）を行う。変数定義入換処理（ステップＳ２５２）では、制御部１２２は、上流から下流に送信した際の伝搬時間の変数と、下流から上流に送信した際の伝搬時間の変数の定義を入れ換える。

すなわち、図２に示すように上流側用トランスデューサ１１０ａと下流側用トランスデューサ１１０ｂが逆に設置されていると、ステップＳ２１４において取得した伝搬時間ｔｕは、実際には上流から下流に送信した超音波の伝搬時間である。同様にステップＳ２２０において取得した伝搬時間ｔｄは、実際には下流から上流に送信した超音波の伝搬時間である。したがって、それらの変数の定義を入れ換えることにより、ステップＳ２１４およびステップＳ２２０において取得された伝搬時間を正しい伝搬時間とみなすことができる。そして、ステップＳ２２２では、ステップＳ２５２において変数定義が入れ換えられた伝搬時間を用いて流速および流量を算出する演算を行う。

上記説明したように、第３実施形態の動作によっても、上流側用トランスデューサ１１０ａと下流側用トランスデューサ１１０ｂとを逆に設置してしまった場合でも、変数定義入換処理のみによって流速Ｖひいては流量を算出することができる。したがって、上述した第１実施形態と同様の効果を得ることが可能となる。

（第４実施形態）
図６は、図１および図２に示す超音波流量計１００の動作の第４実施形態について説明するフローチャートである。上述した第１実施形態〜第３実施形態では、伝搬時間差法によって流速および流量を測定する構成を例示したのに対し、第４実施形態以降では、図１および図２に示す超音波流量計１００において、反射相関法およびドップラ法によって流速および流量を測定する場合について説明する。

ここで、第１実施形態〜第３実施形態において用いていた伝播時間差法では、上流側用トランスデューサ１１０ａおよび下流側用トランスデューサ１１０ｂの一方から送信した超音波が配管１０２内の流体を透過して他方において受信されるまでの伝搬時間を用いて流速および流量を測定していた。このような方法は、超音波が流体内を良好に透過可能な場合には最適であるものの、流体内に気泡や粒子（以下、反射体と称する）が多く含まれている場合には、超音波が透過しづらく流量測定が困難になるという欠点がある。

上記に対し、反射相関法およびドップラ法では、トランスデューサから出力された超音波と、かかる超音波が流体中に含まれる反射体に反射した反射波との信号の相関によって流量および流速を測定する。このため、反射相関法およびドップラ法は、気泡や粒子が多く含まれる流体の流速および流量の測定に適している。

図６に示すように、第４実施形態の動作では、通常モード（ステップＳ２０６）において、まず制御部１２２は、切換部１３０のスイッチング（スイッチの切換）を制御し、超音波送信部１２８ａと上流側送信スイッチ１３２ａを接続し、上流側用トランスデューサ１１０ａから超音波を出力する（ステップＳ２１０）。そして、制御部１２２は、超音波受信部１２８ｂと上流側受信スイッチ１３４ａを接続し、出力された超音波が流体中の反射体に反射した反射波を上流側用トランスデューサ１１０ａで受信し（ステップＳ２１８）、上流側流速プロファイル（流速分布）を取得する（ステップＳ２６２）。なお、流速プロファイルは、時間をおいて出力した超音波の反射信号の相関をとって移動量を求める（相関演算を行う）ことによって流速を算出することにより作成することができる。

続いて制御部１２２は、切換部１３０のスイッチング（スイッチの切換）を制御し、超音波送信部１２８ａと下流側送信スイッチ１３２ｂを接続し、下流側用トランスデューサ１１０ｂから超音波を出力する（ステップＳ２１６）。そして制御部１２２は、超音波受信部１２８ｂと下流側受信スイッチ１３４ｂを接続し、出力された超音波が流体中の気泡や粒子等の反射体に反射した反射波の信号を下流側用トランスデューサ１１０ｂで受信し（ステップＳ２１２）、下流側流速プロファイルを取得する（ステップＳ２６４）。ステップＳ２６２およびステップＳ２６４において上流側用および下流側の流速プロファイルを取得したら、制御部１２２はこれらの流速プロファイルから流体の流量を演算する（ステップＳ２６６）。

一方、第４実施形態の上下逆転モード（ステップＳ２０８）では、制御部１２２は、切換部１３０のスイッチング（スイッチの切換）を制御し、超音波送信部１２８ａと下流側送信スイッチ１３２ｂを接続し、下流側用トランスデューサ１１０ｂにおいて超音波の出力する（ステップＳ２３０）。そして、制御部１２２は、超音波受信部１２８ｂと下流側受信スイッチ１３４ｂを接続し、下流側用トランスデューサ１１０ｂにおいて反射波の受信を行うことにより（ステップＳ２３８）、上流側流速プロファイルを取得する（ステップＳ２７２）。

続いて制御部１２２は、切換部１３０のスイッチング（スイッチの切換）を制御し、超音波送信部１２８ａと上流側送信スイッチ１３２ａを接続し、上流側用トランスデューサ１１０ａにおいて超音波を出力する（ステップＳ２３６）。そして、制御部１２２は、超音波受信部１２８ｂと上流側受信スイッチ１３４ａを接続し、上流側用トランスデューサ１１０ａにおいて反射波の受信を行うことにより（ステップＳ２３２）、下流側流速プロファイルを取得する（ステップＳ２７４）。

上記説明したように、第４実施形態の上下逆転モードでは、切換部１３０において、超音波送信部１２８ａおよび超音波受信部１２８ｂと、上流側用トランスデューサ１１０ａおよび下流側用トランスデューサ１１０ｂとの接続を、通常モード時とは逆転させる。これにより、反射相関法およびドップラ法を用いる場合において上流側用トランスデューサ１１０ａと下流側用トランスデューサ１１０ｂとを逆に配置してしまった場合であっても、上流側流速プロファイルおよび下流側流速プロファイルを正しい値で取得することができる。したがって、第１実施形態と同様の効果を得ることが可能となる。

（第５実施形態）
図７は、図１および図２に示す超音波流量計１００の動作の第５実施形態について説明するフローチャートである。なお、第５実施形態における通常モードの動作は第４実施形態と同様であるため、説明を省略する。

第５実施形態の上下逆転モードでは、制御部１２２は、第４実施形態の通常モードと同様にステップＳ２１０〜ステップＳ２６４までの処理を行い、上流側流速プロファイルおよび下流側流速プロファイルを取得する。第５実施形態の上下逆転モードの特徴として、制御部１２２は、ステップＳ２６２、Ｓ２６４において作成した流速プロファイルの符号を反転させる符号反転処理を行う（ステップＳ２８２）。そして、制御部１２２は、この符号反転処理が行われた流速プロファイルを用いて流量の演算を行う（ステップＳ２６６）。第５実施形態の上下逆転モードによれば、反射相関法およびドップラ法を用いる場合において上流側用トランスデューサ１１０ａと下流側用トランスデューサ１１０ｂとを逆に配置してしまった場合であっても、上流側流速プロファイルおよび下流側流速プロファイルを正しい値に補正することができ、上述した第１実施形態と同様の効果を得ることが可能となる。

なお、反射相関法およびドップラ法を用いる第４実施形態および第５実施形態では、上流側用トランスデューサ１１０ａおよび下流側用トランスデューサ１１０ｂの両方によって流速プロファイルを取得する構成を例示したが、これに限定するものではない。上述したように、反射相関法およびドップラ法では超音波を出力したトランスデューサにおいて反射波を受信するため、超音波流量計１００は必ずしも２つのトランスデューサを備える必要はなく、１つのトランスデューサを備える超音波流量計においても本発明を適用可能である。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、トランスデューサを用いて管路内部を流れる流体の流量を測定する超音波流量計に利用可能である。

１００…超音波流量計、１０２…配管、１１０ａ…上流側用トランスデューサ、１１０ｂ…下流側用トランスデューサ、１１２ａ…固定金具、１１２ｂ…固定金具、１１４…結合ケーブル、１１４ａ…接続ケーブル、１１４ｂ…接続ケーブル、１２０…変換器、１２０ａ…接続口、１２２…制御部、１２４…操作部、１２６…表示部、１２８ａ…超音波送信部、１２８ｂ…超音波受信部、１３０…切換部、１３２ａ…上流側送信スイッチ、１３２ｂ…下流側送信スイッチ、１３４ａ…上流側受信スイッチ、１３４ｂ…下流側受信スイッチ

Claims (1)

1. 少なくとも一対となる上流側用トランスデューサと下流側用トランスデューサを用いて管路内部を流れる流体の流量を測定する超音波流量計であって、
   当該超音波流量計の動作を制御する制御部と、
   超音波を出力するための信号を送信する超音波送信部と、
   受信した信号を増幅してＡ／Ｄ変換する超音波受信部と、
   前記超音波送信部および超音波受信部と、前記上流側用トランスデューサおよび下流側用トランスデューサとの接続を切り換える切換部と、
   を備え、
   前記制御部は、通常モードでは時間をおいて出力した超音波の反射信号の相関をとって移動量を求め、
   さらに上下逆転モードを設定可能であって、
   前記上下逆転モードにおいては、前記切換部における前記上流側用トランスデューサと下流側用トランスデューサの接続を逆転させることを特徴とする超音波流量計。

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