JP2004061108A - Doppler ultrasonic flowmeter, flow measurement method using Doppler ultrasonic flowmeter, and flow measurement program - Google Patents

Abstract

[Object] To provide a Doppler ultrasonic flowmeter capable of expanding a measurable range irrespective of the limitation of hardware and a technique related thereto.
[Constitution] Channel distance calculating means for calculating the minimum channel distance from the frequency and speed of an ultrasonic pulse; measurable range display means for displaying a measurable range from the calculated minimum channel distance; Channel distance change determining means for allowing the viewed user to change or determine whether to multiply the minimum channel distance by an integer, and the fluid velocity distribution measuring means measures the flow velocity distribution using the determined channel distance. This is a Doppler ultrasonic flowmeter. The determination of the channel distance change may be automated.
[Selection diagram] Fig. 1

Description

の演算を行う手段である。
また、上記の式（１）から、流体配管を流れる時間ｔの流量ｍ（ｔ）は、次式に書き換えることができる。
【数２】

【００１２】
（作用）
まず、超音波送信手段が、所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させる。被測定流体に入射された超音波パルスは、被測定流体中を流れる気泡や固形物などにぶつかると反射する。反射した超音波パルスのうち、測定領域から反射された超音波エコーを受信する。
一方、発振した超音波パルスの周波数および速度から、チャンネルディスタンス演算手段が最小チャンネルディスタンスを演算する。そして、演算された最小チャンネルディスタンスから測定可能範囲を、測定可能範囲表示手段が表示する。表示された測定可能範囲を閲覧したユーザは、最小チャンネルディスタンスを整数倍するか否か、チャンネルディスタンス変更決定手段を用いて変更しまたは変更せず、そして決定する。そして、流体速度分布測定手段は、決定されたチャンネルディスタンスを用いて流速分布を測定し、流量演算手段は、その流速分布を用いて、測定領域における被測定流体の流量を計測する。
以上のようなドップラ式超音波流量計によれば、最小チャンネルディスタンスから算出される測定可能範囲と、被測定流体が流れる流体配管の管径とから、必要であれば測定可能範囲をユーザが変更した上で流速分布の演算を行わせるため、測定可能範囲が広がる。
【００１３】
（請求項２）請求項２記載の発明は、請求項１に係る発明がユーザへ委ねていたチャンネルディスタンスの変更や決定を、自動的に変更・決定するという点が異なる。
すなわち、超音波パルスの周波数および速度から最小チャンネルディスタンスを演算するチャンネルディスタンス演算手段と、被測定流体の流体配管の管内径等のデータを入力し、測定可能範囲との関係で必要な場合には最小チャンネルディスタンスを整数倍するか否かの変更・決定させるチャンネルディスタンス変更決定手段とを備え、前記流体速度分布測定手段は、決定されたチャンネルディスタンスを用いて流速分布を測定することとしたドップラ式超音波流量計に係る。
【００１４】
（用語説明）
「チャンネルディスタンス変更決定手段」において必要なデータ、例えば被測定流体の流体配管の管内径など（場合によっては入射される超音波パルスの角度）のデータは、ユーザが入力するためのデータ入力装置を別途備えてそのデータ入力装置に入力されたデータとする場合、超音波トランスジューサなどから自動的に算出されて入力される場合、などがある。
【００１５】
超音波パルスの周波数および速度から、チャンネルディスタンス演算手段が最小チャンネルディスタンスを演算する。一方、チャンネルディスタンス変更決定手段が、被測定流体の流体配管の管内径等のデータを入力し、測定可能範囲との関係で必要な場合には最小チャンネルディスタンスを整数倍するか否かの変更・決定する。そして、流体速度分布測定手段は、決定されたチャンネルディスタンスを用いて流速分布を測定し、流量演算手段は、その流速分布を用いて、測定領域における被測定流体の流量を計測する。
以上のようなドップラ式超音波流量計によれば、最小チャンネルディスタンスから算出される測定可能範囲と、被測定流体が流れる流体配管の管径とから、必要であれば測定可能範囲を変更した上で流速分布の演算を行わせるため、測定可能範囲が広がる。
【００１６】
（請求項３）請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載のドップラ式超音波流量計を限定したものである。すなわち、被測定流体が流れる流体配管の管壁に対して共鳴的透過現象を生じさせる基本周波数たる最適周波数を自動的に設定する周波数選択設定手段を備え、超音波送信手段の超音波トランスジューサは、前記最適周波数を発振することとし、チャンネルディスタンス演算手段は、その周波数選択設定手段によって決定された最適な周波数およびその超音波パルスの速度から最小チャンネルディスタンスを演算することとしたドップラ式超音波流量計に係る。
【００１７】
（作用）
周波数選択設定手段は、被測定流体が流れる流体配管の管壁に対して共鳴的透過現象を生じさせる基本周波数たる最適周波数を自動的に設定する。超音波送信手段の超音波トランスジューサは、前記最適周波数を発振する。自動的に最適周波数が選択されるので、ユーザにとって使いやすいドップラ式超音波流量計となる。
その後、チャンネルディスタンス演算手段は、その周波数選択設定手段によって決定された最適な周波数およびその超音波パルスの速度から最小チャンネルディスタンスを演算する。
【００１８】
（第一のバリエーション）
「周波数選択設定装置」は、最適周波数を例えば以下のようにして選択する。すなわち、設定する超音波パルスの半波長の整数倍と被測定流体が流れる流体配管の管厚とが等しくなる周波数を最適周波数として自動的に選択する。流体配管の壁厚が超音波の基本周波数の半波長を整数倍したときに、超音波の透過特性が非常に高いことを知見したことに基づいている。
【００１９】
（第二のバリエーション）
また、「周波数選択設定装置」には、超音波トランスジューサから所要の発振周波数の超音波を発振させる発振用アンプと、その発振用アンプの発振周波数を調節する発振周波数可変装置と、その発振周波数可変装置を予め指定された周波数領域内で動作させる周波数領域設定手段と、前記超音波トランスジューサから発振された超音波パルスのうち、流体配管内の測定領域から反射される超音波エコーを受信する超音波受信手段と、受信した超音波エコーの強度を抽出して記憶する反射波強度抽出手段とを備えることも可能である。
それら手段を備えたドップラ式超音波流量計の場合、最適な測定を行う準備にかかる手間を軽減したり、改善改良または最適化のためのデータを蓄積できるという利点がある。
【００２０】
（請求項４）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ドップラ式超音波流量計を限定したものである。すなわち、超音波トランスジューサから被測定流体内へ入射される超音波パルスの入射角度を調整設定する入射角調整設定手段を備え、その入射角調整設定手段は、流体配管の管壁に対して超音波パルスが共鳴的透過現象を生じさせる入射角度となるように、超音波トランスジューサを流体配管に対して調整設定可能とするドップラ式超音波流量計に係る。
【００２１】
（作用）
入射角調整設定手段は、超音波トランスジューサから被測定流体内へ入射される超音波パルスの入射角度を調整設定する。その調整は、流体配管の管壁に対して超音波パルスが共鳴的透過現象を生じさせる入射角度となるように、超音波トランスジューサを流体配管に対して行う。これによって、透過しやすい超音波パルスが発振できることとなる。
【００２２】
（請求項５）請求項５記載の発明は、請求項３または請求項４のいずれかに記載のドップラ式超音波流量計を限定したものである。
すなわち、超音波トランスジューサは、第一トランスジューサと、その第一トランスジューサとは流体配管の軸方向に離間させて設置される第二トランスジューサと、第一トランスジューサおよび第二トランスジューサとを相対的に移動させるトランスジューサ移動機構とを備え、前記トランスジューサ移動機構は、第一トランスジューサおよび第二トランスジューサとが発振する超音波パルスが流体配管内の測定領域にて直交するように移動させることとしたドップラ式超音波流量計に係る。
【００２３】
（作用）
第一トランスジューサと、それとは流体配管の軸方向に離間させて第二トランスジューサとが設置される。トランスジューサ移動機構は、第一トランスジューサおよび第二トランスジューサとが発振する超音波パルスが流体配管内の測定領域にて直交するように移動させることができる。そのため、二つのトランスジューサの最適位置へ設置し、最適な超音波パルスを発振できる。
流体配管の軸方向に離間させ、発振パルスが直交するように位置した二つのトランスジューサによれば、流体配管の軸方向に平行でない流れが存在していても、より正確な速度分布を算出することができる。
【００２４】
（請求項６）請求項６記載の発明は、請求項５記載のドップラ式超音波流量計を限定したものである。
すなわち、第一トランスジューサおよび第二トランスジューサから発振された超音波パルスの流体配管内の測定領域から反射波である超音波エコーをそれぞれ受信する第一反射波レシーバおよび第二反射波レシーバと、第一反射波レシーバおよび第二反射波レシーバにて受信された超音波エコーの強度から超音波測定線の方向の速度ベクトルをそれぞれ算出する速度ベクトル算出手段と、その速度ベクトル算出手段にて算出されたそれぞれの速度ベクトルのベクトル和から被測定流体の流速ベクトルを算出する流速ベクトル算出手段とを備え、流体速度分布測定手段は、前記流速ベクトルを用いて流速分布を測定し、流量演算手段は、当該流速分布を用いて被測定流体の流量を演算することとしたドップラ式超音波流量計に係る。
換言すれば、請求項５記載のドップラ式超音波流量計の構成要件に加え、第一トランスジューサおよび第二トランスジューサとが発振する超音波パルスによる超音波エコーから、より正確な速度分布や流量を算出するために、一旦流速ベクトルを算出する流速ベクトル算出手段などを備えているのである。
【００２５】
（作用）
第一反射波レシーバおよび第二反射波レシーバは、第一トランスジューサおよび第二トランスジューサから発振された超音波パルスの流体配管内の測定領域から反射波である超音波エコーをそれぞれ受信する。続いて、速度ベクトル算出手段が、第一反射波レシーバおよび第二反射波レシーバにて受信された超音波エコーの強度から超音波測定線の方向の速度ベクトルをそれぞれ算出する。そして、算出されたそれぞれの速度ベクトルのベクトル和から、流速ベクトル算出手段が被測定流体の流速ベクトルを算出する。
流体速度分布測定手段は、前記流速ベクトルを用いて流速分布を測定し、流量演算手段は、当該流速分布を用いて被測定流体の流量を演算する。
【００２６】
（請求項７）　請求項７記載の発明は、所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えたドップラ式超音波流量計を用いた流量計測方法である。
すなわち、超音波パルスの周波数および速度から最小チャンネルディスタンスを演算するチャンネルディスタンス演算手順と、演算された最小チャンネルディスタンスから測定可能範囲を表示する測定可能範囲表示手順と、表示された測定可能範囲を閲覧したユーザに、最小チャンネルディスタンスを整数倍するか否かの変更・決定させるチャンネルディスタンス変更決定手順と、その決定されたチャンネルディスタンスを用いて前記流体速度分布測定手段に対して、流速分布を測定させる流体速度分布測定手順とを備えた流量計測方法である。
【００２７】
（請求項８）請求項８記載の発明もまた、所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えたドップラ式超音波流量計を用いた流量計測方法に係る。
すなわち、超音波パルスの周波数および速度から最小チャンネルディスタンスを演算するチャンネルディスタンス演算手順と、被測定流体の流体配管の管内径等のデータを入力し、測定可能範囲との関係で必要な場合には最小チャンネルディスタンスを整数倍するか否かの変更・決定させるチャンネルディスタンス変更決定手順と、その決定されたチャンネルディスタンスを用いて前記流体速度分布測定手段に対して、流速分布を測定させる流体速度分布測定手順とを備えた流量計測方法である。
【００２８】
（請求項９）請求項９記載の発明は、請求項７または請求項８のいずれかに記載の流量計測方法を限定したものである。すなわち、ドップラ式超音波流量計には、被測定流体が流れる流体配管の管壁に対して共鳴的透過現象を生じさせる基本周波数たる最適周波数を自動的に設定する周波数設定手段を備えるとともに、超音波送信手段の超音波トランスジューサは、前記最適周波数を発振することとし、チャンネルディスタンス演算手順は、前記周波数設定手段によって決定された最適な周波数およびその超音波パルスの速度から最小チャンネルディスタンスを演算することとした流量計測方法に係る。
【００２９】
（請求項１０）請求項１０記載の発明は、所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えたドップラ式超音波流量計を用いた流量計測用プログラムに係る。
そのプログラムは、超音波パルスの周波数および速度から最小チャンネルディスタンスを演算するチャンネルディスタンス演算手順と、演算された最小チャンネルディスタンスから測定可能範囲を表示する測定可能範囲表示手順と、表示された測定可能範囲を閲覧したユーザに、最小チャンネルディスタンスを整数倍するか否かの変更・決定させるチャンネルディスタンス変更決定手順と、その決定されたチャンネルディスタンスを用いて前記流体速度分布測定手段に対して、流速分布を測定させる流体速度分布測定手順とをコンピュータに実行させるための流量計測用プログラムである。
【００３０】
（請求項１１）請求項１１記載の発明もまた、所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えたドップラ式超音波流量計を用いた流量計測用プログラムに係る。
そのプログラムは、超音波パルスの周波数および速度から最小チャンネルディスタンスを演算するチャンネルディスタンス演算手順と、被測定流体の流体配管の管内径等のデータを入力し、測定可能範囲との関係で必要な場合には最小チャンネルディスタンスを整数倍するか否かの変更・決定させるチャンネルディスタンス変更決定手順と、その決定されたチャンネルディスタンスを用いて前記流体速度分布測定手段に対して、流速分布を測定させる流体速度分布測定手順とをコンピュータに実行させるための流量計測用プログラムである。
【００３１】
請求項１０および請求項１１に係るコンピュータプログラムを、記録媒体へ記憶させて提供することもできる。ここで、「記録媒体」とは、それ自身では空間を占有し得ないプログラムを担持することができる媒体であり、例えば、フレキシブルディスク、ハードディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＭＯ（光磁気ディスク）、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＰＤなどである。
また、これらの発明に係るプログラムを格納したコンピュータから、通信回線を通じて他のコンピュータへ伝送することも可能である。
なお、汎用的なコンピュータを備えたドップラ式超音波流量計に対して、上記のような各手段を達成可能であるようなプログラムをプリインストール、あるいはダウンロードすることで、請求項１等に係る機能を備えたドップラ式超音波流量計を形成することも可能である。
【００３２】
【発明の実施の形態】
本発明に係るドップラ式超音波流量計の実施の形態について、添付図面を参照させながら説明する。ここで使用する図面は、図１ないし図１３である。図１および図２は、本願発明に係る実施形態の構成を示す概念図である。図３および図４は、本願発明の中核をなす構成の具体的画面出力を示す図である。図５から図１３は、具体的なハードウエア構成、測定原理、実験例などを説明するための図である。
【００３３】
（図１）
図１には、本実施形態に係るドップラ式超音波流量計、そのドップラ式超音波流量計を用いて流量を計測する被測定流体が流れる流体配管、ドップラ式超音波流量計に付属した出力モニタと操作装置、およびドップラ式超音波流量計を使用するユーザを図示している。
ドップラ式超音波流量計は、所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えたドップラ式超音波流量計である。
【００３４】
このドップラ式超音波流量計には、被測定流体が流れる流体配管の管壁に対して共鳴的透過現象を生じさせる基本周波数たる最適周波数を自動的に設定するという機能を備えた周波数選択設定手段も備えている。最適周波数の設定手法については、後述する。
また、超音波トランスジューサは、超音波エコーを受信する機能も兼ね備えているが、図中では、「エコー受信手段」として便宜上、別に図示している。
なお、流量演算手段における演算手法は、式（１），式（２）にて示しているので、省略する。
【００３５】
出力モニタおよび操作装置は、以下のような構成をなしている。すなわち、超音波パルスの周波数および速度から最小チャンネルディスタンスを演算するチャンネルディスタンス演算手段と、演算された最小チャンネルディスタンスから測定可能範囲を表示する測定可能範囲表示手段と、表示された測定可能範囲を閲覧したユーザに、最小チャンネルディスタンスを整数倍するか否かの変更・決定させるチャンネルディスタンス変更決定手段とを備えている。そして、前記流体速度分布測定手段は、チャンネルディスタンス変更決定手段にて決定されたチャンネルディスタンスを用いて流速分布を測定するのである。
【００３６】
以下、ドップラ式超音波流量計の作動について、図１に基づいて説明する。
まず、　超音波送信手段における超音波トランスジューサが、所要周波数の超音波パルス（１）を測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させる。被測定流体に入射された超音波パルス（１）は、被測定流体中を流れる気泡や固形物などにぶつかると反射する。反射した超音波パルスのうち、測定領域から反射された超音波エコー（１）をエコー受信手段が受信する。そして、その超音波エコー（１）を用いて、周波数選択設定手段が、最適周波数を選択設定し、超音波トランスジューサへフィードバックする。
【００３７】
超音波トランスジューサは、最適周波数である超音波パルス（２）を発振し、エコー受信手段は超音波エコー（２）を受信する。
一方、チャンネルディスタンス演算手段は、発振した超音波パルス（２）の周波数ｆ_０および速度Ｃｗのデータを入手し、最小チャンネルディスタンスを演算する。そして、演算された最小チャンネルディスタンスから測定可能範囲を、測定可能範囲表示手段が表示する。なお、測定可能範囲の表示において、必要であれば、流体配管の管内径、超音波パルス（２）の入射角度などのデータを、超音波トランスジューサから入手する。
表示された測定可能範囲を閲覧したユーザは、最小チャンネルディスタンスを整数倍するか否か、チャンネルディスタンス変更決定手段を用いて変更しまたは変更せず、そして決定する。そして、流体速度分布測定手段は、決定されたチャンネルディスタンスを用いて流速分布を測定し、流量演算手段は、その流速分布を用いて、測定領域における被測定流体の流量を計測する。
なお、ユーザが閲覧する出力画面については、以下に詳述する。
【００３８】
（図３、図４、図５）
図３から図５は、図１中の「出力モニタ＆操作装置」を具体的に示したものであり、コンピュータのモニタへ出力された画面である。
画面の中央上部には、測定可能範囲表示手段が、現在の条件において測定可能な範囲をｍｍ単位で表示している。
また、画面左側には、現在の条件が表示されている。例えば、超音波の周波数（ＵＳ　Ｆｌｒｅｑ）が９８３ＫＨｚであることが表示されている。
ここで、左側中央付近に、「チャンネルディスタンス変更決定手段」が表示されている。ここへは、まず、超音波の速度（Ｃｗ）を超音波パルスの基本周波数（ｆ_０）の２倍で除した値（最小チャンネルディスタンス）が、自動的に表示される。そして、その表示窓の右側にある上下ボタンをクリックすると、最小チャンネルディスタンスの整数倍にて上下させることができる。
この画面では、最小チャンネルディスタンスが０．７４８５ｍｍであり、計測可能な範囲はその１２８倍の９５．８ｍｍである。したがって、このままでは、内径１５０ｍｍの配管における流量測定は行えない。
【００３９】
そこで、「チャンネルディスタンス変更決定手段」における上ボタンを、１回クリックする。その時の画面出力を示したのが図４である。チャンネルディスタンスは、最小チャンネルディスタンスの２倍の１．４９７ｍｍとなり、計測可能な範囲はその１２８倍の１９１．６ｍｍに拡大した。この条件であれば、内径１５０ｍｍの配管における流量測定は、行えることとなる。
【００４０】
図５は、「チャンネルディスタンス変更決定手段」における上ボタンを、２回クリックして、チャンネルディスタンスを３倍の２．２４４５ｍｍとした場合の出力画面を示したものである。この場合、計測可能な範囲はその１２８倍の２８７．２ｍｍにまで拡大した。
【００４１】
（誤差計測）
図４の状態において、内径１５０ｍｍの配管における流量測定を行った。このとき、計測ポイントは、１２８ポイントのうち１００ポイント（１５０／１．４９７）で流速分布が構成される。このときの真の値（理論値）との誤差は、０．００２５％であり、極めて高い精度にて計測できることがわかった。
【００４２】
また、比較のため、図５の状態においても、同じ内径１５０ｍｍの配管における流量測定を行った。計測ポイントは、１２８ポイントのうち６７ポイント（１５０／２．２４４５）で流速分布が構成される。このときの真の値との誤差は、０．００５６％であった。
【００４３】
その他、わざと計測ポイントを減らしていくつかの計測実験を行ってみたが約半分となっても、誤差が１％より遙かに小さい、高い精度にて計測できることがわかった。具体的には、計測ポイント数が５０のときの誤差が０．０１％、計測ポイント数が６５のときの誤差が０．００６１％、計測ポイント数が１２８のときの誤差が０．００１５％であった。
【００４４】
以上のことから、最大で１２８カ所において超音波エコーを受信して流速分布を算出しているドップラ式超音波流量計は、内径が２５０ｍｍを越えるような太い配管から、１００ｍｍ以下の細い配管までの広範囲を測定可能であることが実証できた。
なお、超音波エコーの受信可能箇所を現在の１２８カ所から２５６カ所や５１２カ所というように増やすことによって、太い配管への対応や精度の向上が検討されたが、以上の結果から、その必要がないほどの性能が確認できた。ただし、更なる精度向上のために超音波エコーの受信可能箇所を増加させることを、本願発明は否定するものではない。
【００４５】
（図２）
続いて、図２に示す実施形態について説明する。
図２に示す実施形態は、ユーザに対して選択させず、自動的に変更・決定できる実施形態としている。ユーザに対して選択のための出力が必要ないため、「出力モニタ＆操作装置」の代わりに「出力モニタ装置」としている。
この出力モニタ装置には、超音波パルスの周波数および速度から最小チャンネルディスタンスを演算するチャンネルディスタンス演算手段と、被測定流体の流体配管の管内径等のデータを入力し、測定可能範囲との関係で必要な場合には最小チャンネルディスタンスを整数倍するか否かの変更・決定させるチャンネルディスタンス変更決定手段とを備えている。
そして、ドップラ式超音波流量計に備えられている流体速度分布測定手段が、チャンネルディスタンス変更決定手段によって決定されたチャンネルディスタンスを用いて流速分布を測定する。
【００４６】
なお、図１に示す実施形態と組み合せ、ユーザによる選択と自動選択との二種類を用意したドップラ式超音波流量計を提供することも可能である。そのような実施形態の場合、ユーザが選択しない場合には自動的に変更・決定できる、といったメニューを用意しておくことができる。
【００４７】
（ドップラ式超音波流量計）
以下、ドップラ式超音波流量計について、図６から図１３を用いて詳細に説明する。
図６に示すドップラ式超音波流量計１０は、流体配管１１内を流れる被測定流体１２（液体や気体）の流速分布を測定し、流量を時間依存で瞬時に測定できるものであり、配管１１内を流れる被測定流体１２の流速を非接触で測定する超音波速度分布計測ユニット（以下、Ｕｄｆｌｏｗユニットという。）１３を備える。Ｕｄｆｌｏｗユニット１３は、被測定流体１２に測定線ＭＬに沿って所要周波数（基本周波数ｆ_０　）の超音波パルスを送信させる超音波送信手段１５と、被測定流体１２に入射された超音波パルスの測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体１２の流速分布を測定する流体速度分布測定手段１６と、被測定流体１２の流速分布に基づいて演算処理して半径方向の積分を行い、被測定流体１２の流量を時間依存で求める流量演算手段としてのマイコン、ＣＰＵ、ＭＰＵ等のコンピュータ１７と、このコンピュータ１７からの出力を時系列的に表示可能な表示装置１８と、流体配管１１内を流れる被測定流体１２の最適周波数である超音波を自動的に選定する周波数選択設定手段１９とを有する。
【００４８】
超音波送信手段１５は、所要周波数の超音波パルスを発振させる超音波トランスジューサ２０と、この超音波トランスジューサ２０を加振させる信号発生器としての加振用アンプ２１とを有する。加振用アンプ２１は、所要の基本周波数ｆ_０の電気信号を発生させる発振器（オッシレータ）２３と、この発振器２３からの電気信号を所定の時間間隔（１／Ｆ_ｒｐｆ）ごとにパルス状に出力するエミッタ２４（周波数Ｆ_ｒｐｆ）とを備えている。そして、この信号発生器である加振用アンプ２１から所要の基本周波数ｆ_０のパルス電気信号が超音波トランスジューサ２０へ入力される。
【００４９】
超音波トランスジューサ２０は、パルス電気信号の印加により基本周波数ｆ_０の超音波パルスが測定線ＭＬに沿って発振せしめられる。超音波パルスは、例えばパルス幅５ｍｍ程度で拡がりをほとんど持たない直進性のビームである。
超音波トランスジューサ２０は送受信器を兼ねており、超音波トランスジューサ２０は発振された超音波パルスが流体中の反射体に当って反射される超音波エコーを受信するようになっている。ここで反射体とは、被測定流体１２中に一様に含まれる気泡であったり、アルミニウムの微粉末等のパーティクルであったり、または被測定流体１２とは音響インピーダンスが異なる異物である。
【００５０】
超音波トランスジューサ２０に受信された超音波エコーは、反射波レシーバー２７にて受信され、その反射波レシーバー２７にてエコー電気信号へ変換される。このエコー電気信号は、増幅器２８で増幅された後、ＡＤ変換器２９を通ってデジタル化される。そして、デジタル化されたデジタルエコー信号が流速分布計測回路２６に入力される。
流速分布計測回路３０には、発振用アンプ２１からの基本周波数ｆ_０の電気信号がデジタル化されて入力され、両信号の周波数差からドップラシフトに基づく流速の変化を計測し、測定線ＭＬに沿う測定領域の流速分布を算出している。測定領域の流速分布を傾斜角αで較正することによって、流体配管１１の横断面における流速分布を計測することができる。
【００５１】
さて、流体配管１１が金属製である場合のその壁厚が超音波の基本周波数ｆ_０の１／２あるいはその整数倍である場合に、超音波の透過特性が非常に高いことが知見された。そこで、この知見に基づき、超音波トランスジューサ２０から発振される超音波パルスの基本周波数ｆ_０は、流体配管１１の壁厚に対して共鳴的透過現象を生じさせる最適値が自由且つ自動的に選択されるように、周波数選択設定手段１９を構成している。
この周波数選択設定手段１９は、前述した加振用アンプ２１と、その加振用アンプ２１の発振周波数を変動させて調整設定可能とする発振周波数可変装置３１と、この発振周波数可変装置３１に予めユーザが指定した範囲内（例えば、２００ｋＨｚ〜４ＭＨｚの周波数領域内）で発振周波数可変装置３１を動作させる基本周波数領域設定手段３２と、流体配管１１内の測定領域から反射される超音波エコーを受信する反射波レシーバ２７と、受信した超音波エコー信号を増幅および撹拌する増幅器２８と、その増幅器２８で撹拌された超音波エコー信号の強度を抽出して記憶する反射波強度抽出手段３３と、この反射波強度抽出手段３３にて抽出されて記憶された反射強度（超音波エコー強度）を表示させる反射波強度表示機能を備えた表示装置１８とを備える。
【００５２】
このように構成された周波数選択設定手段１９は、反射波強度抽出手段３３、発振周波数可変装置３１などの協働作用により、流体配管１１の壁厚に対して共鳴的透過現象を生じさせる最適周波数を設定する。設定された最適周波数は、発振周波数可変装置３１からの出力信号によって発振アンプの発振周波数を決定して超音波トランスジューサ２０を加振させる。そして、最適周波数である基本周波数ｆ_０の超音波パルスが超音波トランスジューサ２０から流体配管１１内へ発振される。
最適周波数の超音波パルスが超音波トランスジューサ２０から発振されるので、充分な反射波Ｓ／Ｎ比を確保することができ、反射波である超音波エコー信号を大きく取ることができる。すなわち、共鳴的透過現象を生じさせる超音波パルスが発振されるので、流体配管１１の透過率が非常に高く、充分な反射波強度を得ることができる。
【００５３】
なお、超音波トランスジューサ２０から発振される超音波を流体配管１１内へスムーズに発振させるため、超音波トランスジューサ２０と流体配管１１との間には、ゼリー状の接触媒体３５を介在させる。
また、反射波を反射波レシーバ２７にて受けるとして前述したが、超音波トランスジューサ２０に受信機能を内蔵させて代用させることも可能である。
【００５４】
次に、図７を参照させながら、ドップラ式超音波流量計１０の作動原理を説明する。
図７（Ａ）に示すように、超音波トランスジューサ２０を配管１１の放射方向に対し角度αだけ被測定体の流れ方向に傾けて設置した状態で、超音波トランスジューサ２０から所要周波数ｆ_０の超音波パルスを入射させると、この超音波パルスは測定線ＭＬ上の被測定流体１２に一様に分布する反射体に当って反射し、図７（Ｂ）に示すように、超音波エコーａとなって超音波トランスジューサ２０に戻される。
ここで、図７（Ｂ）における符号ｂは、超音波パルス入射側の管壁で反射する多重反射エコーである。また符号ｃは、反対側管壁で反射する多重反射エコーである。超音波トランスジューサ２０から発振される超音波パルスの発振間隔は１／Ｆ_ｒｐｆである。
超音波トランスジューサ２０で受信したエコー信号をフィルタリング処理し、ドップラシフト法を利用して測定線ＭＬに沿って流速分布を計測すると、図７（Ｃ）のように表示される。この流速分布は、Ｕｄｆｌｏｗユニット１３の流体速度分布測定手段１６で測定することができる。
【００５５】
ここで「ドップラシフト法」とは、配管１１内を流れる流体１２中に超音波パルスを放射すると、流体１２中に混在あるいは一様分布の反射体（例えば気泡）によって反射されて超音波エコーとなり、この超音波エコーの周波数が流速に比例した大きさだけ周波数シフトする原理を応用し、流速を測定する方法である。超音波流体速度分布測定手段１６で測定された被測定流体１２の流速分布信号は、流量演算手段としてのコンピュータ１７に送られ、ここで流速分布信号を配管１１の半径方向に積分し、被測定流体１２の流量を時間依存で求めることができる。その流量計算の式については、前述した式（１），式（２）であるので、繰り返しての説明は省略する。
【００５６】
なお、式（２）により、本実施形態によるドップラ式超音波流量計１０は、被測定流体１２の流れの空間分布を瞬時、例えば５０ｍｓｅｃ〜１００ｍｓｅｃ程度の応答速度にて得ることができる。被測定流体１２は配管（円管）１１内の流れであっても、充分な助走区間をとれない場合や、弁の開閉やポンプの起動・停止などで時間的な揺らぎが存在する場合には、流体の流れは非定常状態で三次元分布をもっているが、このドップラ式超音波流量計１０は、測定領域の流速分布を時間依存で瞬時に求めることができるので、被測定流体１２の流量を定常状態、非定常状態如何を問わず、正確に精度よく求めることができる。
【００５７】
（透過特性の確認実験）
本実施形態によるドップラ式超音波流量計１０を用いて、超音波トランスジューサ２０から発振される超音波の透過特性の確認実験を行った。
このドップラ式超音波流量計１０は、周波数選択設定手段１９によって超音波トランスジューサ２０から発振される超音波の基本周波数を、２００ｋＨｚから数ＭＨｚ（例えば、２ＭＨｚ）まで、５ｋＨｚ刻みに自動的に調整設定できるものである。
超音波の壁面透過試験は、２５０ｍｍ径のアクリル配管の一部にステンレス鋼を埋め込み、このステンレス鋼の壁外部へ超音波トランスジューサ２０を設置する。そして、基本周波数を変化させながら超音波を入射し、アクリル配管の対抗側壁面からの超音波の反射強度を調べた。
【００５８】
（図８）
超音波の壁面透過実験では、ステンレス鋼の壁厚が９．５ｍｍ、１１．５ｍｍ、１３．０ｍｍの三種類を用意した。また、超音波トランスジューサ２０から発振される超音波の基本周波数は、０．２５ｋＨｚ、０．５ｋＨｚおよび１ＭＨｚの三種類とした。図８は、９．５ｍｍのステンレス鋼による超音波の壁面透過実験の例を示している。横軸は超音波の基本周波数ｆ_０であり、縦軸は対抗壁からの超音波の反射強度である。図８中、反射波の透過強度曲線を、０．２５ｋＨｚがｈ，０．５ｋＨｚがｉ，１ＭＨｚがｊにて示している。
さて、図８における上向き矢印ｌ，ｍ，ｎは、超音波の発振周波数の波長と、ステンレス鋼の壁厚との関係を示すものである。すなわち、波長の低い方からステンレス鋼の壁厚の１／２倍、等倍、３／２倍の周波数位置を示している。
図８からは、例えば１ＭＨｚの超音波を選択して超音波トランスジューサ２０を使用する場合、ステンレス鋼の配管壁厚に合わせて、基本周波数を約９１０ｋＨｚに設定すると、超音波の透過特性が良好であることが把握できる。周波数の透過強度曲線ｊは、矢印ｎの位置で反射波の透過強度が高いことが把握できる。
【００５９】
（図９）
壁厚９．５ｍｍ、内径１５０ｍｍの炭素鋼による流体配管を用意し、１ＭＨｚの超音波を選択して超音波トランスジューサ２０を使用し、周波数選択設定装置１９によって超音波トランスジューサ２０から発振される基本周波数ｆ_０が９１０ｋＨｚとなるように設定し、被測定流体の流速分布を測定した。図９は、その測定実験で得られた被測定流体の時間平均流速分布の結果を示したものである。
被測定流体の流速分布の計測点は、流体配管における管中心部から手前側（０〜６０ｍｍの範囲）では、壁内部における超音波の反射のために、充分な流速分布を得るのが困難であったため、被測定流体１２の流速分布に対して壁面の影響が表れにくかった、６０〜１５０ｍｍの範囲とした。そして、比較的スムーズな平均流速分布曲線（図中Ｏ）を得た。
この平均流速分布曲線Ｏから、平均流速分布を流体配管１１内で積分することによって、流体配管１１内を流れる被測定流体１２の流量を精度よく、被接触状態にて測定することができる。
【００６０】
（図１０）
図１０は、図６に示したドップラ式超音波流量計のバリエーションであり、ドップラ式超音波流量計１０Ａと記す。
流体配管１１内に入射する超音波パルスの最適周波数を選定する代わりに、反射波のＳ／Ｎ比を向上させる方法として、理論的には流体配管１１の壁厚を変化させて共鳴的透過現象を生じさせる、という方法が考えられる。しかし現実的には、流体配管１１の壁厚を変化させる方法は不可能である。そこで、流体配管１１の壁厚を変化させるのと均等な手段として、流体配管１１に対する超音波トランスジューサ２０の取り付け角度を変化させる機構を備えたものである。すなわち、超音波トランスジューサ２０の入射角度αを調整設定し、流体配管１１の壁厚に適合する超音波の入射角度を自動的に選定できる入射角調整設定手段４０を備え、ドップラ式超音波流量計１０にて備えられていた周波数選定設定手段１９を省略している。ここで、超音波トランスジューサ２０から発振される超音波の入射角度αは、流体配管１１の管表面の垂直線あるいは垂直面との間に形成される角度である。
【００６１】
入射角調整設定手段４０は、流体配管１１に対して外側から取り付け角度を調節自在とした超音波トランスジューサ２０と、この超音波トランスジューサ２０から発振される超音波パルスの入射角度αを調整設定可能な入射角変換機構４１と、予め指定された入射角の範囲（例えば、５〜４５度）内で、入射角変換機構４１を動作させる入射角領域設定手段４３と、反射される超音波エコーを受信してその強度を抽出して記憶する反射波強度抽出手段４４とを備えている。その反射波強度抽出手段４４で抽出、記憶された超音波エコー強度は、反射波強度表示機能を備えた表示装置１８にて表示する。
【００６２】
この入射角調整設定手段４０は、入射角変換機構４１によって流体配管１１に対する超音波トランスジューサ２０の取り付け角度を変化させ、超音波の入射角度αを約５〜４５度の範囲で変化させることができる。具体的には、図１０にて図示するように、入射角変換機構４１から出力される出力信号によってステッピングモータ４６を駆動させ、そのステッピングモータ４６によって取付角度調整機構を駆動させることによって達成する。
【００６３】
超音波トランスジューサ２０から発振される超音波パルスの入射角度αは、流体配管１１の壁厚に対して共鳴的透過現象を生じる最適な角度として、入射角調整設定手段４０にて設定される。超音波パルスの周波数を変えることなく、壁厚を物理的に変化させて共鳴的透過現象が生じるようにしていることと同じである。共鳴的透過現象が生じる超音波パルスが入射され、十分な反射波Ｓ／Ｎ比を確保できるので、超音波エコーが反射し、被測定流体１２の流速分布および流量を正確に精度よく測定できる。
【００６４】
なお、前述した入射角調整設定手段４０の機能、すなわち、超音波の入射角度を変化させることができる機能を内蔵した超音波トランスジューサ２０を製作して採用することも、当然可能である。
ところで、前述した入射角調整設定手段４０は、同じく前述した周波数選定設定手段１９の代わりに設けるとして説明したが、両手段４０，１９を組み合わせて備えることも、当然可能である。その場合、最適入射角度および最適周波数を自動的に選択し、設定することとなる。例えば、流速が非常に速い場合において入射角度が大きいと超音波エコーを受信しにくくなるおそれがある。そのような場合には、入射角度を小さく設定し、最適周波数の調整を優先するのである。
【００６５】
図６から図１０において示したドップラ式超音波流量計１０，１０Ａは、測定線ＭＬに依存した測定方法であるから、測定線ＭＬの数を増やすことが面測定に近付け、測定精度を向上させることに直結する。そこで、Ｎ個の超音波トランスジューサ２０を流体配管１１の周方向に、所定間隔毎に設置する。また、全ての超音波トランスジューサ２０の測定線ＭＬを、管壁への垂線に対し角度α傾斜させるとともに、流体配管１１の軸線と交差するように設置するのが望ましい。
【００６６】
さて、配管１１内を流れる被測定流体１２の流れが、管軸方向の流れで半径方向や角度θの流れｖｒ，ｖθを無視できるとすると、ｖｘ＞＞ｖｒ＝ｖθとなり、流量計測は簡素化され、次式で表わされる。
【数３】

このように、求められた被測定流体１２の流量は、表示装置１８により時間依存で瞬時に表示することができる。この表示装置１８には、被測定流体１２の配管１１内の測定線ＭＬに沿う流速分布あるいは配管横断面における流速分布を表示することもできる。
【００６７】
図１１から図１３に示すドップラ式超音波流量計１０Ｂは、被測定流体１２の流れが流体配管１１に対して平行でない場合、例えば流体配管１１内で旋回流が生じているような場合であっても、正確な流速、流量を算出することができるようにするためのものである。
例えば、図１２において示す速度ベクトルＶ３は、流体配管１１に対して平行ではない。この速度ベクトルＶ３による流速を算出しようとしたとする。すなわち、この速度ベクトルＶ３に沿って流れている気泡に超音波が反射し、その超音波反射エコーを超音波トランスジューサ２０のみが受信したとする。すると、速度ベクトルＶ３は、流体配管１１に対して平行な速度ベクトルＶ１として算出されてしまい、実際の流速よりも大きくなってしまう。
【００６８】
そこで、超音波トランスジューサは、これまでと同様に設置する超音波トランスジューサ２０と、その超音波トランスジューサ２０とは流体配管１１の軸方向に離間させて設置される第二の超音波トランスジューサ２０ａとの組合せとするのである。超音波トランスジューサ２０および第二の超音波トランスジューサ２０ａとは、それぞれの発振する超音波パルスが流体配管内の測定領域にて直交するような位置に設置することとしている。
第二の超音波トランスジューサ２０ａは、速度ベクトルＶ２、Ｖ４、Ｖ５を求めることができるので、速度ベクトルＶ１との関係から、本来の速度ベクトルＶ３を算出できる。
【００６９】
なお、図１３において、この実施形態に係る超音波トランスジューサの構成について説明している。すなわち、第一の超音波トランスジューサ２０および第二の超音波トランスジューサ２０ａと、それらトランスジューサ２０，２０ａを相対的に移動させるトランスジューサ移動機構４６とを備えている。そして、そのトランスジューサ移動機構４６は、第一トランスジューサ２０および第二トランスジューサ２０ａとが発振する超音波パルスが流体配管内の測定領域にて直交するように移動させる構造を備えているのである。
トランスジューサ２０，２０ａには、それぞれ反射波レシーバ２７，２７ａと、速度ベクトル算出手段４７，４７ａとが備えられており、流速ベクトル算出手段４８が速度ベクトル算出手段４７，４７ａに基づいて算出される速度ベクトルのベクトル和から、最終的な速度ベクトルＶ３を算出する。
【００７０】
図１１から図１３に示すドップラ式超音波流量計１０Ｂによれば、被測定流体１２の流れ方向が流体配管１１に対して平行でない場合であっても、その流れ方向をベクトル演算し、正確な流速、流量を算出することができる。
なお、第一の超音波トランスジューサ２０および第二の超音波トランスジューサ２０ａを一組としたこのドップラ式超音波流量計１０Ｂを、流体配管１１の管周方向に複数位置させて組み合わせれば、より正確な流速、流量を算出することができる。
【００７１】
【発明の効果】
請求項１から請求項６記載の発明によれば、ハードウエアの制限に関わらず、計測可能な範囲を拡大させることが可能なドップラ式超音波流量計を提供することができた。
また、請求項７から請求項９記載の発明によれば、ドップラ式超音波流量計を用いて、ハードウエアの制限に関わらず、計測可能な範囲を拡大させることが可能な測定方法を提供することができた。
また、請求項１０および請求項１１記載の発明によれば、ドップラ式超音波流量計を用いて、そのハードウエアの制限に関わらず、計測可能な範囲を拡大させることが可能な流量測定用プログラムを提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の構成を示す概念図である。
【図２】実施形態の構成を示す概念図である。
【図３】コンピュータのモニタへ出力された画面を示す図である。
【図４】コンピュータのモニタへ出力された画面を示す図である。
【図５】コンピュータのモニタへ出力された画面を示す図である。
【図６】実施形態のハードウエア構成を示す図である。
【図７】ドップラ式超音波流量計の作動原理を説明するための図である。
【図８】超音波の壁面透過実験の例を示す図である。
【図９】測定実験で得られた被測定流体の時間平均流速分布の結果を示したものである。
【図１０】超音波の入射角度を変更できる実施形態を示すハードウエア構成図である。
【図１１】流体配管に対して平行ではない流れをベクトル表示した図である。
【図１２】超音波トランスジューサを管軸方向に複数備えて、流体配管に対して平行ではない流れを測定する原理を示す図である。
【図１３】超音波トランスジューサを管軸方向に複数備えた場合の信号処理ブロック図である。
【符号の説明】
１０，１０Ａ，１０Ｂ　ドップラ式超音波流量計
１１　流体配管　　　　　　　　　　１２　被測定流体
１３　超音波速度分布計測ユニット（Ｕｄｆｌｏｗユニット）
１５　超音波送信手段　　　　　　　　１６　流体速度分布測定手段
１７　コンピュータ（流体流量演算手段）
１８　表示装置　　　　　　　　　　　１９　周波数選択設定手段
２０，２０ａ　超音波トランスジューサ
２１　発振用アンプ（信号発生器）
２３　発振器（オッシレータ）　　　　２４　エミッタ
２７　反射波レシーバ（超音波受信手段）
２８　増幅器　　　　　　　　　　　　２９　Ａ／Ｄ変換器
３０　流速分布計測回路　　　　　　　３１　発振周波数可変装置
３２　基本周波数領域設定手段　　　　３３　反射波強度抽出手段
３５　接触媒体
４０　入射角度調節設定手段　　　　　４１　入射角度変換機構
４３　入射角度領域設定手段　　　　　４４　反射波強度抽出手段
４６　超音波トランスジューサ移動機構[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a Doppler ultrasonic flowmeter capable of instantaneously measuring the flow rate of a fluid to be measured from a flow velocity distribution in a measurement area in a time-dependent manner, and a technique related thereto.
[0002]
[Prior art]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-97742 discloses a Doppler ultrasonic flowmeter capable of measuring a flow in an unsteady state accurately and non-contactly with high accuracy in a time-dependent manner.
The Doppler type ultrasonic flow meter disclosed herein has the following configuration. That is, an ultrasonic transmitting means for injecting an ultrasonic pulse of a required frequency from the ultrasonic transducer along the measurement line into the fluid to be measured, and an ultrasonic pulse reflected from the measurement region among the ultrasonic pulses incident on the fluid to be measured. The apparatus comprises a fluid velocity distribution measuring means for receiving an acoustic echo and measuring a flow velocity distribution of a fluid to be measured in a measurement area, and a flow rate calculating means for performing an integral operation based on the flow velocity distribution of the fluid to be measured. . Then, the flow rate calculating means measures the flow rate based on the flow velocity distribution of the fluid to be measured in the measurement area.
[0003]
This Doppler ultrasonic flowmeter measures the flow velocity distribution of the fluid to be measured flowing in the pipe, and has excellent responsiveness to the transient flow rate that varies with time. In addition, even when the flow of the fluid is not sufficiently developed or where the flow is three-dimensional, for example, immediately after a bent pipe such as an elbow pipe or a U-shaped inverted pipe, the flow rate of the fluid to be measured can be reduced. Can be measured efficiently and accurately instantaneously. Compared with the ultrasonic flowmeter provided before that, accurate measurement is possible without the "flow rate correction coefficient" calculated from experimental values and empirical values, etc. Have been.
[0004]
The above-mentioned Doppler ultrasonic flowmeter receives ultrasonic echoes at up to 128 locations. This number is determined in relation to the capability of hardware to secure the responsiveness of instantaneously calculating and measuring the flow rate that changes in a short time.
On the other hand, the measurable depth (distance) changes depending on the repetition transmission frequency, but the interval between the ultrasonic echo measurement points (hereinafter referred to as “channel distance”) is the minimum value at which the sound speed travels for one sampling time. It becomes. For example, in the case of sampling at 1 MHz, if the sound speed in water is 1480 m / s, the sampling speed advances by 1.48 mm in one sampling time.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The fundamental frequency of the ultrasonic wave (f ₀ ) Is optimized from the viewpoint of resonance transmission with respect to the material and thickness of the pipe of the fluid to be measured, while the minimum value of the channel distance is determined as described in the previous section, so the measurement points (sampling points) Since it is finite, for example, if it is 128 points, a pipe diameter of about 94 mm is a measurement limit, and therefore, a pipe of 94 mm or less does not require 128 points, so it is sufficient to use a required number of sampling points less than that, For example, in the case of a 200 mm pipe, the flow rate cannot be measured from the flow rate distribution over the entire pipe (if the flow rate distribution is symmetric, the radius).
[0006]
We considered a solution to increase the measurable distance by increasing the number of measurement points (currently 128 points), but from the viewpoint of the responsiveness of measuring the flow rate that changes in a short time, the performance to the hardware, There are financial limitations.
Even if the performance and economic limits of the hardware can be broken, it will be overspec for the range that can be measured now. On the other hand, it is possible to design a plurality of types of Doppler ultrasonic flowmeters according to the size of the pipe diameter, but it is preferable that the range covered by one type is wide.
[0007]
A problem to be solved by the present invention is to provide a Doppler ultrasonic flowmeter capable of expanding a measurable range irrespective of limitations of hardware and a technique related thereto.
[0008]
An object of the invention described in claims 1 to 6 is to provide a Doppler ultrasonic flowmeter capable of expanding a measurable range regardless of hardware limitations.
Another object of the present invention is to provide a measuring method capable of expanding a measurable range using a Doppler ultrasonic flow meter regardless of hardware limitations. It is in.
Another object of the present invention is to provide a flow measurement program capable of expanding a measurable range using a Doppler ultrasonic flow meter irrespective of hardware limitations. Is to provide.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, a means for adopting and realizing an idea in measurement and calculation of multiplying a minimum channel distance for determining a measurement range by an integer is provided. In addition, although the Doppler ultrasonic flowmeter with 128 measurement points at the time of filing is described in the embodiment and the like, the present invention apparently increases or decreases the measurement points in the Doppler ultrasonic flowmeter. The essence of the invention is a technical idea that has the same effect as can be achieved, and does not exclude a Doppler ultrasonic flowmeter in which 128 measurement points are physically increased in advance.
[0010]
(Claim 1) The invention according to claim 1 is an ultrasonic transmitting means for injecting an ultrasonic pulse of a required frequency from an ultrasonic transducer along a measurement line into a fluid to be measured in a fluid pipe, and Fluid velocity distribution measuring means for receiving the ultrasonic echo reflected from the measurement area among the incident ultrasonic pulses and measuring the flow velocity distribution of the fluid to be measured in the measurement area, based on the flow velocity distribution of the fluid to be measured And a flow rate calculating means for calculating the flow rate of the fluid to be measured in the measurement area.
The features are channel distance calculation means for calculating the minimum channel distance from the frequency and speed of the ultrasonic pulse, measurable range display means for displaying the measurable range from the calculated minimum channel distance, and the displayed measurable range. Channel distance change determination means for allowing a user who has viewed the data to change / determine whether to multiply the minimum channel distance by an integer, and wherein the fluid velocity distribution measurement means measures the flow velocity distribution using the determined channel distance. This is a Doppler type ultrasonic flowmeter.
[0011]
(Glossary)
The "flow rate calculating means" is, when the flow rate is m (t),
(Equation 1)

Is a means for calculating
From the above equation (1), the flow rate m (t) at the time t flowing through the fluid pipe can be rewritten as the following equation.
(Equation 2)

[0012]
(Action)
First, the ultrasonic transmitting means causes an ultrasonic pulse of a required frequency to be incident from the ultrasonic transducer along the measurement line into the fluid to be measured in the fluid pipe. The ultrasonic pulse incident on the fluid to be measured is reflected when the ultrasonic pulse collides with a bubble, a solid, or the like flowing in the fluid to be measured. Among the reflected ultrasonic pulses, an ultrasonic echo reflected from the measurement area is received.
On the other hand, the channel distance calculating means calculates the minimum channel distance from the frequency and speed of the oscillated ultrasonic pulse. Then, the measurable range display means displays the measurable range from the calculated minimum channel distance. The user who browses the displayed measurable range determines whether or not to multiply the minimum channel distance by an integer by using the channel distance change determining means or not, and then determines. Then, the fluid velocity distribution measuring means measures the flow velocity distribution using the determined channel distance, and the flow rate calculating means measures the flow rate of the fluid to be measured in the measurement region using the flow velocity distribution.
According to the above Doppler ultrasonic flowmeter, the user can change the measurable range if necessary from the measurable range calculated from the minimum channel distance and the pipe diameter of the fluid pipe through which the fluid to be measured flows. After that, the calculation of the flow velocity distribution is performed, so that the measurable range is widened.
[0013]
(Claim 2) The invention according to claim 2 is different in that the invention according to claim 1 automatically changes and determines the change or determination of the channel distance entrusted to the user.
That is, when inputting data such as the channel distance calculating means for calculating the minimum channel distance from the frequency and speed of the ultrasonic pulse and the inner diameter of the fluid pipe of the fluid to be measured, if necessary in relation to the measurable range. Channel distance change determining means for changing / determining whether or not to multiply the minimum channel distance by an integer, wherein the fluid velocity distribution measuring means measures the flow velocity distribution using the determined channel distance. It relates to an ultrasonic flowmeter.
[0014]
(Glossary)
The data necessary for the “channel distance change determining means”, for example, the data of the inside diameter of the fluid pipe of the fluid to be measured (in some cases, the angle of the incident ultrasonic pulse) is input to the data input device for the user to input. There is a case where the data is separately provided as data input to the data input device, or a case where the data is automatically calculated and input from an ultrasonic transducer or the like.
[0015]
The channel distance calculation means calculates the minimum channel distance from the frequency and speed of the ultrasonic pulse. On the other hand, the channel distance change determining means inputs data such as the inner diameter of the fluid pipe of the fluid to be measured, and if necessary in relation to the measurable range, changes whether or not to multiply the minimum channel distance by an integer. decide. Then, the fluid velocity distribution measuring means measures the flow velocity distribution using the determined channel distance, and the flow rate calculating means measures the flow rate of the fluid to be measured in the measurement region using the flow velocity distribution.
According to the above Doppler ultrasonic flow meter, the measurable range calculated from the minimum channel distance and the pipe diameter of the fluid pipe through which the fluid to be measured flows, if necessary, the measurable range is changed. The calculation of the flow velocity distribution is performed by the above, so that the measurable range is widened.
[0016]
(Claim 3) The invention according to claim 3 limits the Doppler ultrasonic flowmeter according to claim 1 or 2. In other words, the ultrasonic transducer of the ultrasonic transmission means includes frequency selection setting means for automatically setting an optimum frequency, which is a fundamental frequency that causes a resonance transmission phenomenon with respect to a wall of a fluid pipe through which a fluid to be measured flows. The above-mentioned optimum frequency is oscillated, and the channel distance calculating means calculates the minimum channel distance from the optimum frequency determined by the frequency selection setting means and the speed of the ultrasonic pulse. According to.
[0017]
(Action)
The frequency selection setting means automatically sets an optimum frequency, which is a fundamental frequency at which a resonant transmission phenomenon occurs on the pipe wall of the fluid pipe through which the fluid to be measured flows. The ultrasonic transducer of the ultrasonic transmitting means oscillates at the optimum frequency. Since the optimum frequency is automatically selected, a Doppler ultrasonic flow meter that is easy for the user to use is provided.
Thereafter, the channel distance calculation means calculates the minimum channel distance from the optimum frequency determined by the frequency selection setting means and the speed of the ultrasonic pulse.
[0018]
(First variation)
The “frequency selection setting device” selects the optimum frequency as follows, for example. That is, a frequency at which the integral multiple of a half wavelength of the ultrasonic pulse to be set is equal to the thickness of the fluid pipe through which the fluid to be measured flows is automatically selected as the optimum frequency. It is based on the finding that when the wall thickness of the fluid pipe is an integral multiple of a half wavelength of the fundamental frequency of the ultrasonic wave, the transmission characteristics of the ultrasonic wave are very high.
[0019]
(Second variation)
The “frequency selection setting device” includes an oscillation amplifier that oscillates ultrasonic waves of a required oscillation frequency from an ultrasonic transducer, an oscillation frequency variable device that adjusts the oscillation frequency of the oscillation amplifier, and an oscillation frequency variable device. Frequency domain setting means for operating the apparatus in a frequency domain designated in advance, and an ultrasonic wave receiving an ultrasonic echo reflected from a measurement area in a fluid pipe among ultrasonic pulses oscillated from the ultrasonic transducer. It is also possible to have a receiving means and a reflected wave intensity extracting means for extracting and storing the intensity of the received ultrasonic echo.
In the case of a Doppler ultrasonic flow meter provided with these means, there is an advantage that it is possible to reduce the labor required for preparation for performing an optimal measurement, and to accumulate data for improvement, improvement, or optimization.
[0020]
(Claim 4) The invention according to claim 4 limits the Doppler ultrasonic flowmeter according to any one of claims 1 to 3. That is, the apparatus includes incident angle adjustment setting means for adjusting and setting the incident angle of an ultrasonic pulse incident from the ultrasonic transducer into the fluid to be measured. The present invention relates to a Doppler type ultrasonic flowmeter which can adjust and set an ultrasonic transducer with respect to a fluid pipe so that a pulse has an incident angle at which a resonance transmission phenomenon occurs.
[0021]
(Action)
The incident angle adjustment setting means adjusts and sets the incident angle of the ultrasonic pulse incident from the ultrasonic transducer into the fluid to be measured. The adjustment is performed by applying the ultrasonic transducer to the fluid pipe so that the ultrasonic pulse is incident on the pipe wall of the fluid pipe so as to cause a resonance transmission phenomenon. As a result, an ultrasonic pulse that is easily transmitted can be oscillated.
[0022]
(Claim 5) The invention according to claim 5 limits the Doppler ultrasonic flowmeter according to claim 3 or 4.
That is, the ultrasonic transducer includes a first transducer, a second transducer that is installed apart from the first transducer in the axial direction of the fluid pipe, and a transducer that relatively moves the first transducer and the second transducer. A Doppler type ultrasonic flow meter, wherein the transducer moving mechanism is configured to move ultrasonic pulses oscillated by the first transducer and the second transducer so as to be orthogonal to each other in a measurement region in the fluid pipe. According to.
[0023]
(Action)
A first transducer and a second transducer are spaced from the first transducer in the axial direction of the fluid piping. The transducer moving mechanism can move the ultrasonic pulses oscillated by the first transducer and the second transducer so as to be orthogonal to each other in the measurement area in the fluid pipe. Therefore, the two transducers can be installed at the optimum positions, and the optimum ultrasonic pulse can be oscillated.
According to the two transducers that are spaced apart in the axial direction of the fluid pipe and the oscillation pulses are orthogonal to each other, it is possible to calculate a more accurate velocity distribution even if there is a flow that is not parallel to the fluid pipe axial direction. Can be.
[0024]
(Claim 6) The invention according to claim 6 limits the Doppler ultrasonic flowmeter according to claim 5.
That is, a first reflected wave receiver and a second reflected wave receiver that respectively receive an ultrasonic echo that is a reflected wave from a measurement region in a fluid pipe of an ultrasonic pulse oscillated from the first transducer and the second transducer, Velocity vector calculating means for calculating a velocity vector in the direction of the ultrasonic measurement line from the intensity of the ultrasonic echo received by the reflected wave receiver and the second reflected wave receiver, and respectively calculated by the velocity vector calculating means Flow velocity vector calculating means for calculating a flow velocity vector of the fluid to be measured from the vector sum of the velocity vectors of the velocity vectors, wherein the fluid velocity distribution measuring means measures the flow velocity distribution using the flow velocity vector, and the flow rate calculating means comprises The present invention relates to a Doppler ultrasonic flowmeter that calculates a flow rate of a fluid to be measured using a distribution.
In other words, in addition to the components of the Doppler ultrasonic flowmeter according to claim 5, more accurate velocity distribution and flow rate are calculated from ultrasonic echoes generated by ultrasonic pulses oscillated by the first transducer and the second transducer. In order to do so, a flow velocity vector calculation means for temporarily calculating a flow velocity vector is provided.
[0025]
(Action)
The first reflected wave receiver and the second reflected wave receiver respectively receive an ultrasonic echo as a reflected wave from a measurement area in the fluid pipe of the ultrasonic pulse oscillated from the first transducer and the second transducer. Subsequently, the velocity vector calculation means calculates a velocity vector in the direction of the ultrasonic measurement line from the intensity of the ultrasonic echo received by the first reflected wave receiver and the second reflected wave receiver. Then, the flow velocity vector calculating means calculates the flow velocity vector of the fluid to be measured from the vector sum of the calculated velocity vectors.
The fluid velocity distribution measuring means measures the flow velocity distribution using the flow velocity vector, and the flow rate computing means computes the flow rate of the fluid to be measured using the flow velocity distribution.
[0026]
(Claim 7) The invention according to claim 7 is an ultrasonic transmitting means for injecting an ultrasonic pulse of a required frequency from an ultrasonic transducer along a measurement line into a fluid to be measured in a fluid pipe; Fluid velocity distribution measuring means for receiving the ultrasonic echo reflected from the measurement area among the incident ultrasonic pulses and measuring the flow velocity distribution of the fluid to be measured in the measurement area, based on the flow velocity distribution of the fluid to be measured And a flow rate calculating means for calculating the flow rate of the fluid to be measured in the measurement area.
That is, a channel distance calculation procedure for calculating the minimum channel distance from the frequency and velocity of the ultrasonic pulse, a measurable range display procedure for displaying a measurable range from the calculated minimum channel distance, and viewing of the displayed measurable range. Channel distance change determining procedure for causing the user to change / determine whether to multiply the minimum channel distance by an integer, and causing the fluid velocity distribution measuring means to measure the flow velocity distribution using the determined channel distance. And a fluid velocity distribution measuring procedure.
[0027]
(Claim 8) An ultrasonic transmission means for injecting an ultrasonic pulse of a required frequency from an ultrasonic transducer along a measurement line into a fluid to be measured in a fluid pipe, and a fluid to be measured. A fluid velocity distribution measuring means for receiving the ultrasonic echo reflected from the measurement area among the ultrasonic pulses incident on the fluid, and measuring the flow velocity distribution of the fluid to be measured in the measurement area, based on the flow velocity distribution of the fluid to be measured Further, the present invention relates to a flow rate measuring method using a Doppler ultrasonic flow meter provided with flow rate calculating means for calculating a flow rate of a fluid to be measured in the measurement area.
That is, when inputting data such as the channel distance calculation procedure for calculating the minimum channel distance from the frequency and speed of the ultrasonic pulse, and the inner diameter of the fluid pipe of the fluid to be measured, if necessary in relation to the measurable range, A channel distance change determining procedure for changing / determining whether or not to multiply the minimum channel distance by an integer; and a fluid velocity distribution measurement for causing the fluid velocity distribution measuring means to measure a flow velocity distribution using the determined channel distance. And a flow measurement method comprising the following steps.
[0028]
(Claim 9) The invention according to claim 9 limits the flow rate measuring method according to claim 7 or 8. That is, the Doppler ultrasonic flow meter includes frequency setting means for automatically setting an optimum frequency, which is a fundamental frequency for causing a resonance transmission phenomenon with respect to a pipe wall of a fluid pipe through which a fluid to be measured flows, The ultrasonic transducer of the sound wave transmitting means oscillates the optimum frequency, and the channel distance calculating procedure calculates the minimum channel distance from the optimum frequency determined by the frequency setting means and the speed of the ultrasonic pulse. Pertaining to the flow measurement method described above.
[0029]
(Claim 10) The invention according to claim 10 is an ultrasonic transmitting means for injecting an ultrasonic pulse of a required frequency from an ultrasonic transducer along a measurement line into a fluid to be measured in a fluid pipe; Fluid velocity distribution measuring means for receiving the ultrasonic echo reflected from the measurement area among the incident ultrasonic pulses and measuring the flow velocity distribution of the fluid to be measured in the measurement area, based on the flow velocity distribution of the fluid to be measured And a flow rate calculating means for calculating the flow rate of the fluid to be measured in the measurement area.
The program includes a channel distance calculation procedure for calculating the minimum channel distance from the frequency and velocity of the ultrasonic pulse, a measurable range display procedure for displaying a measurable range from the calculated minimum channel distance, and a displayed measurable range. A channel distance change determination procedure for allowing a user who has viewed the data to change / determine whether to multiply the minimum channel distance by an integer, and using the determined channel distance to the fluid velocity distribution measuring means, the flow velocity distribution is calculated. 9 is a flow rate measurement program for causing a computer to execute a fluid velocity distribution measurement procedure to be measured.
[0030]
An eleventh aspect of the present invention also provides an ultrasonic transmitting means for causing an ultrasonic pulse of a required frequency to be incident from an ultrasonic transducer along a measurement line into a fluid to be measured in a fluid pipe, and a fluid to be measured. A fluid velocity distribution measuring means for receiving the ultrasonic echo reflected from the measurement area among the ultrasonic pulses incident on the fluid, and measuring the flow velocity distribution of the fluid to be measured in the measurement area, based on the flow velocity distribution of the fluid to be measured Further, the present invention relates to a flow rate measurement program using a Doppler ultrasonic flow meter having flow rate calculation means for calculating a flow rate of a fluid to be measured in the measurement area.
The program inputs the channel distance calculation procedure for calculating the minimum channel distance from the frequency and speed of the ultrasonic pulse, and the data such as the inside diameter of the fluid pipe of the fluid to be measured, and if necessary in relation to the measurable range. A channel distance change determining procedure for changing / determining whether or not to multiply the minimum channel distance by an integer; and a fluid velocity for causing the fluid velocity distribution measuring means to measure a flow velocity distribution using the determined channel distance. This is a flow measurement program for causing a computer to execute the distribution measurement procedure.
[0031]
The computer program according to claims 10 and 11 may be provided by being stored in a recording medium. Here, the “recording medium” is a medium that can carry a program that cannot occupy space by itself, such as a flexible disk, a hard disk, a CD-ROM, an MO (magneto-optical disk), and a DVD-ROM. ROM, PD and the like.
Further, it is also possible to transmit the program according to the present invention from a computer storing the program to another computer via a communication line.
The program according to claim 1 or the like can be preinstalled or downloaded to a Doppler type ultrasonic flowmeter equipped with a general-purpose computer, by pre-installing or downloading a program capable of achieving the above-described means. It is also possible to form a Doppler ultrasonic flowmeter provided with
[0032]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment of a Doppler ultrasonic flowmeter according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The drawings used here are FIGS. 1 to 13. 1 and 2 are conceptual diagrams showing a configuration of an embodiment according to the present invention. FIG. 3 and FIG. 4 are views showing specific screen outputs of the configuration that forms the core of the present invention. 5 to 13 are diagrams for explaining a specific hardware configuration, a measurement principle, an experimental example, and the like.
[0033]
(Fig. 1)
FIG. 1 shows a Doppler ultrasonic flowmeter according to the present embodiment, a fluid pipe through which a fluid to be measured flows using the Doppler ultrasonic flowmeter, and an output monitor attached to the Doppler ultrasonic flowmeter. FIG. 2 illustrates a user using an operating device and a Doppler ultrasonic flowmeter.
The Doppler type ultrasonic flow meter is composed of an ultrasonic transmitting means for injecting an ultrasonic pulse of a required frequency from an ultrasonic transducer along a measurement line into a fluid to be measured in a fluid pipe, and an ultrasonic wave incident on the fluid to be measured. The ultrasonic echo reflected from the measurement region out of the pulses is received, and a fluid velocity distribution measuring unit that measures the flow velocity distribution of the fluid to be measured in the measurement region, and based on the flow velocity distribution of the fluid to be measured, This is a Doppler type ultrasonic flow meter including a flow rate calculating means for calculating a flow rate of a fluid to be measured.
[0034]
This Doppler type ultrasonic flowmeter has a frequency selection setting means having a function of automatically setting an optimum frequency as a fundamental frequency for causing a resonance transmission phenomenon with respect to a pipe wall of a fluid pipe through which a fluid to be measured flows. It also has. A method for setting the optimum frequency will be described later.
Although the ultrasonic transducer also has a function of receiving an ultrasonic echo, it is separately illustrated in the figure as “echo receiving means” for convenience.
Note that the calculation method in the flow rate calculation means is represented by Expressions (1) and (2), and thus the description thereof is omitted.
[0035]
The output monitor and the operating device have the following configurations. That is, the channel distance calculating means for calculating the minimum channel distance from the frequency and the speed of the ultrasonic pulse, the measurable range display means for displaying the measurable range from the calculated minimum channel distance, and viewing the displayed measurable range. Channel distance change determination means for causing the user to change and determine whether to multiply the minimum channel distance by an integer. Then, the fluid velocity distribution measuring means measures the flow velocity distribution using the channel distance determined by the channel distance change determining means.
[0036]
Hereinafter, the operation of the Doppler ultrasonic flowmeter will be described with reference to FIG.
First, an ultrasonic transducer in an ultrasonic transmitting means makes an ultrasonic pulse (1) of a required frequency incident along a measurement line into a fluid to be measured in a fluid pipe. The ultrasonic pulse (1) incident on the fluid to be measured is reflected when the ultrasonic pulse (1) collides with a bubble or a solid object flowing in the fluid to be measured. The echo receiving means receives an ultrasonic echo (1) reflected from the measurement area among the reflected ultrasonic pulses. Then, using the ultrasonic echo (1), the frequency selection setting means selects and sets the optimum frequency and feeds back to the ultrasonic transducer.
[0037]
The ultrasonic transducer oscillates an ultrasonic pulse (2) having an optimum frequency, and the echo receiving means receives an ultrasonic echo (2).
On the other hand, the channel distance calculation means calculates the frequency f of the oscillated ultrasonic pulse (2). ₀ And the data of the speed Cw are obtained, and the minimum channel distance is calculated. Then, the measurable range display means displays the measurable range from the calculated minimum channel distance. In the display of the measurable range, if necessary, data such as the inner diameter of the fluid pipe and the incident angle of the ultrasonic pulse (2) are obtained from the ultrasonic transducer.
The user who browses the displayed measurable range determines whether or not to multiply the minimum channel distance by an integer by using the channel distance change determining means or not, and then determines. Then, the fluid velocity distribution measuring means measures the flow velocity distribution using the determined channel distance, and the flow rate calculating means measures the flow rate of the fluid to be measured in the measurement region using the flow velocity distribution.
The output screen viewed by the user will be described in detail below.
[0038]
(FIGS. 3, 4, and 5)
FIGS. 3 to 5 specifically show the “output monitor & operation device” in FIG. 1, and are screens output to the monitor of the computer.
At the upper center of the screen, a measurable range display means displays the measurable range under the current condition in units of mm.
The current condition is displayed on the left side of the screen. For example, it is indicated that the frequency of the ultrasonic wave (US Flreq) is 983 KHz.
Here, "channel distance change determining means" is displayed near the left center. Here, first, the velocity (Cw) of the ultrasonic wave is changed to the fundamental frequency (f ₀ ), The value (minimum channel distance) divided by two times is automatically displayed. Then, by clicking the up and down buttons on the right side of the display window, it is possible to raise and lower by an integral multiple of the minimum channel distance.
On this screen, the minimum channel distance is 0.7485 mm, and the measurable range is 128 times that of 95.8 mm. Therefore, the flow rate cannot be measured in a pipe having an inner diameter of 150 mm as it is.
[0039]
Then, the upper button in the "channel distance change determining means" is clicked once. FIG. 4 shows the screen output at that time. The channel distance was 1.497 mm, twice the minimum channel distance, and the measurable range was expanded to 1281.6 times, 191.6 mm. Under this condition, the flow rate measurement in a pipe having an inner diameter of 150 mm can be performed.
[0040]
FIG. 5 shows an output screen in the case where the upper button in the “channel distance change determining means” is clicked twice, and the channel distance is tripled to 2.2445 mm. In this case, the measurable range was expanded to 287.2 mm, which is 128 times as large.
[0041]
(Error measurement)
In the state of FIG. 4, the flow rate was measured in a pipe having an inner diameter of 150 mm. At this time, the flow velocity distribution is constituted by 100 points (150 / 1.497) out of 128 measurement points. The error from the true value (theoretical value) at this time was 0.0025%, and it was found that the measurement could be performed with extremely high accuracy.
[0042]
For comparison, the flow rate was measured in the same inner diameter 150 mm pipe also in the state of FIG. The flow rate distribution is constituted by 67 points (150 / 2.2445) of the 128 measurement points. The error from the true value at this time was 0.0056%.
[0043]
In addition, some measurement experiments were performed on purpose by reducing the number of measurement points, but it was found that even if the measurement number was reduced to about half, the measurement could be performed with a much smaller error than 1% and high accuracy. Specifically, the error is 0.01% when the number of measurement points is 50, 0.0061% when the number of measurement points is 65, and 0.0015% when the number of measurement points is 128. there were.
[0044]
From the above, the Doppler type ultrasonic flowmeter which receives ultrasonic echoes at a maximum of 128 places and calculates the flow velocity distribution, from a thick pipe having an inner diameter exceeding 250 mm to a thin pipe having a diameter of 100 mm or less. It was demonstrated that a wide range could be measured.
By increasing the number of places where ultrasonic echoes can be received from the current 128 places to 256 places or 512 places, it was considered to cope with thick pipes and improve the accuracy. The performance was not so good. However, the present invention does not deny that the number of places where ultrasonic echoes can be received is increased in order to further improve accuracy.
[0045]
(Fig. 2)
Subsequently, the embodiment shown in FIG. 2 will be described.
The embodiment shown in FIG. 2 is an embodiment that can be automatically changed and determined without the user making a selection. Since an output for selection is not required for the user, an “output monitor device” is used instead of the “output monitor & operation device”.
In this output monitor device, channel distance calculating means for calculating the minimum channel distance from the frequency and speed of the ultrasonic pulse, and data such as the inner diameter of the fluid pipe of the fluid to be measured are input, and the output is measured in relation to the measurable range. A channel distance change determining means for changing / determining whether or not to multiply the minimum channel distance by an integer when necessary.
Then, the fluid velocity distribution measuring means provided in the Doppler ultrasonic flowmeter measures the flow velocity distribution using the channel distance determined by the channel distance change determining means.
[0046]
It should be noted that in combination with the embodiment shown in FIG. 1, it is also possible to provide a Doppler type ultrasonic flowmeter prepared in two types, selection by a user and automatic selection. In the case of such an embodiment, a menu can be prepared such that if the user does not make a selection, it can be automatically changed and determined.
[0047]
(Doppler type ultrasonic flow meter)
Hereinafter, the Doppler ultrasonic flowmeter will be described in detail with reference to FIGS.
The Doppler type ultrasonic flow meter 10 shown in FIG. 6 measures the flow velocity distribution of the fluid to be measured 12 (liquid or gas) flowing through the fluid pipe 11 and can measure the flow rate instantaneously in a time-dependent manner. An ultrasonic velocity distribution measurement unit (hereinafter, referred to as an Udflow unit) 13 for measuring the flow velocity of the fluid 12 to be measured flowing through the inside thereof in a non-contact manner. The Udflow unit 13 applies a required frequency (fundamental frequency f) to the fluid under measurement 12 along the measurement line ML. ₀ ), An ultrasonic transmitting means 15 for transmitting an ultrasonic pulse, and an ultrasonic echo reflected from the measurement region of the ultrasonic pulse incident on the fluid to be measured 12, and a flow velocity distribution of the fluid to be measured 12 in the measurement region. And a microcomputer as a flow rate calculating means for calculating a flow rate of the measured fluid 12 in a time-dependent manner by performing arithmetic processing based on the flow velocity distribution of the measured fluid 12 and performing radial integration. A computer 17 such as a CPU and an MPU, a display device 18 capable of displaying the output from the computer 17 in time series, and an ultrasonic wave which is the optimum frequency of the fluid 12 to be measured flowing through the fluid pipe 11 are automatically selected. And frequency selection setting means 19 for performing the setting.
[0048]
The ultrasonic transmitting means 15 has an ultrasonic transducer 20 for oscillating an ultrasonic pulse of a required frequency, and a vibration amplifier 21 as a signal generator for vibrating the ultrasonic transducer 20. The vibration amplifier 21 has a required fundamental frequency f ₀ An oscillator (oscillator) 23 for generating an electric signal of a predetermined time interval (1 / F) _rpf ) For each emitter 24 (frequency F _rpf ). Then, a required fundamental frequency f is supplied from the vibration amplifier 21 as the signal generator. ₀ Is input to the ultrasonic transducer 20.
[0049]
The ultrasonic transducer 20 has a fundamental frequency f ₀ Are oscillated along the measurement line ML. The ultrasonic pulse is, for example, a straight beam having a pulse width of about 5 mm and having almost no spread.
The ultrasonic transducer 20 also functions as a transceiver, and the ultrasonic transducer 20 receives an ultrasonic echo in which the oscillated ultrasonic pulse is reflected by a reflector in the fluid. Here, the reflector is an air bubble uniformly contained in the fluid to be measured 12, a particle such as aluminum fine powder, or a foreign substance having an acoustic impedance different from that of the fluid to be measured 12.
[0050]
The ultrasonic echo received by the ultrasonic transducer 20 is received by the reflected wave receiver 27, and is converted into an echo electric signal by the reflected wave receiver 27. This echo electric signal is amplified by an amplifier 28 and then digitized through an AD converter 29. Then, the digitized digital echo signal is input to the flow velocity distribution measuring circuit 26.
The flow rate distribution measuring circuit 30 has a fundamental frequency f from the oscillation amplifier 21. ₀ Is digitized and input, the change in the flow velocity based on the Doppler shift is measured from the frequency difference between the two signals, and the flow velocity distribution in the measurement region along the measurement line ML is calculated. By calibrating the flow velocity distribution in the measurement area with the inclination angle α, the flow velocity distribution in the cross section of the fluid pipe 11 can be measured.
[0051]
Now, when the fluid pipe 11 is made of metal, its wall thickness is equal to the fundamental frequency f of the ultrasonic wave. ₀ It has been found that the transmission characteristics of ultrasonic waves are very high when the value is 1/2 or an integral multiple thereof. Therefore, based on this knowledge, the fundamental frequency f of the ultrasonic pulse oscillated from the ultrasonic transducer 20 ₀ Constitutes the frequency selection setting means 19 so that the optimum value for causing the resonance transmission phenomenon with respect to the wall thickness of the fluid pipe 11 is freely and automatically selected.
The frequency selection setting means 19 includes the above-described vibration amplifier 21, an oscillation frequency variable device 31 that allows the oscillation frequency of the vibration amplifier 21 to be adjusted and set, and an oscillation frequency variable device 31. A basic frequency region setting means 32 for operating the oscillation frequency variable device 31 within a range designated by a user (for example, within a frequency region of 200 kHz to 4 MHz) and an ultrasonic echo reflected from a measurement region in the fluid pipe 11 are received. A reflected wave receiver 27, an amplifier 28 for amplifying and agitating the received ultrasonic echo signal, a reflected wave intensity extracting means 33 for extracting and storing the intensity of the ultrasonic echo signal agitated by the amplifier 28, A display having a reflected wave intensity display function for displaying the reflected intensity (ultrasonic echo intensity) extracted and stored by the reflected wave intensity extracting means 33. And a location 18.
[0052]
The frequency selection setting unit 19 configured as described above is configured to operate the optimum frequency at which the resonant transmission phenomenon occurs with respect to the wall thickness of the fluid pipe 11 by the cooperation of the reflected wave intensity extracting unit 33, the oscillation frequency varying device 31, and the like. Set. The set optimum frequency determines the oscillation frequency of the oscillation amplifier based on the output signal from the oscillation frequency variable device 31 and causes the ultrasonic transducer 20 to vibrate. Then, the fundamental frequency f which is the optimal frequency ₀ Are oscillated from the ultrasonic transducer 20 into the fluid pipe 11.
Since the ultrasonic pulse of the optimum frequency is oscillated from the ultrasonic transducer 20, a sufficient reflected wave S / N ratio can be secured, and the reflected ultrasonic wave echo signal can be large. That is, since an ultrasonic pulse causing a resonance transmission phenomenon is oscillated, the transmittance of the fluid pipe 11 is extremely high, and a sufficient reflected wave intensity can be obtained.
[0053]
In order to smoothly oscillate the ultrasonic waves oscillated from the ultrasonic transducer 20 into the fluid pipe 11, a jelly-like contact medium 35 is interposed between the ultrasonic transducer 20 and the fluid pipe 11.
Although the reflected wave is received by the reflected wave receiver 27 as described above, the ultrasonic transducer 20 may be provided with a built-in receiving function and used instead.
[0054]
Next, the operating principle of the Doppler ultrasonic flowmeter 10 will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 7A, in a state where the ultrasonic transducer 20 is installed at an angle α with respect to the radiation direction of the pipe 11 in the flow direction of the object to be measured, the required frequency f is transmitted from the ultrasonic transducer 20. ₀ When the ultrasonic pulse is incident, the ultrasonic pulse is reflected by a reflector uniformly distributed on the measurement target fluid 12 on the measurement line ML, and is reflected by the ultrasonic echo as shown in FIG. The signal is returned to the ultrasonic transducer 20 as a.
Here, the symbol b in FIG. 7B is a multiple reflection echo reflected on the tube wall on the ultrasonic pulse incident side. Symbol c is a multiple reflection echo reflected on the opposite tube wall. The oscillation interval of the ultrasonic pulse oscillated from the ultrasonic transducer 20 is 1 / F _rpf It is.
When the echo signal received by the ultrasonic transducer 20 is filtered and the flow velocity distribution is measured along the measurement line ML using the Doppler shift method, the result is displayed as shown in FIG. This flow velocity distribution can be measured by the fluid velocity distribution measuring means 16 of the Udflow unit 13.
[0055]
Here, the “Doppler shift method” means that when an ultrasonic pulse is radiated into a fluid 12 flowing through a pipe 11, the ultrasonic pulse is reflected by a reflector (for example, a bubble) mixed or uniformly distributed in the fluid 12 to become an ultrasonic echo. This method measures the flow velocity by applying the principle that the frequency of the ultrasonic echo is shifted by a magnitude proportional to the flow velocity. The flow velocity distribution signal of the fluid to be measured 12 measured by the ultrasonic fluid velocity distribution measuring means 16 is sent to a computer 17 as a flow rate calculating means, where the flow velocity distribution signal is integrated in the radial direction of the pipe 11 to be measured. The flow rate of the fluid 12 can be determined in a time-dependent manner. Since the equations for calculating the flow rate are the above-described equations (1) and (2), repeated description will be omitted.
[0056]
According to the equation (2), the Doppler ultrasonic flowmeter 10 according to the present embodiment can obtain the spatial distribution of the flow of the fluid to be measured 12 instantaneously, for example, at a response speed of about 50 msec to 100 msec. Even if the fluid to be measured 12 is a flow in the pipe (circular pipe) 11, if a sufficient approaching section cannot be taken, or if there is a temporal fluctuation due to opening / closing of a valve, starting / stopping of a pump, etc. Since the flow of the fluid has a three-dimensional distribution in an unsteady state, the Doppler ultrasonic flowmeter 10 can instantaneously determine the flow velocity distribution in the measurement area in a time-dependent manner. It can be obtained accurately and accurately regardless of the steady state or the unsteady state.
[0057]
(Confirmation experiment of transmission characteristics)
Using the Doppler ultrasonic flowmeter 10 according to the present embodiment, an experiment for confirming the transmission characteristics of ultrasonic waves oscillated from the ultrasonic transducer 20 was performed.
The Doppler ultrasonic flow meter 10 automatically adjusts and sets the fundamental frequency of the ultrasonic wave oscillated from the ultrasonic transducer 20 by the frequency selection setting means 19 from 200 kHz to several MHz (for example, 2 MHz) in steps of 5 kHz. You can do it.
In the ultrasonic wall transmission test, stainless steel is embedded in a part of an acrylic pipe having a diameter of 250 mm, and the ultrasonic transducer 20 is installed outside the stainless steel wall. Then, ultrasonic waves were incident while changing the fundamental frequency, and the reflection intensity of the ultrasonic waves from the opposite side wall surface of the acrylic pipe was examined.
[0058]
(FIG. 8)
In the ultrasonic wall transmission experiment, three types of stainless steel having a wall thickness of 9.5 mm, 11.5 mm, and 13.0 mm were prepared. Further, the fundamental frequency of the ultrasonic wave oscillated from the ultrasonic transducer 20 was set to three kinds of 0.25 kHz, 0.5 kHz and 1 MHz. FIG. 8 shows an example of an ultrasonic wall transmission experiment using 9.5 mm stainless steel. The horizontal axis is the fundamental frequency f of the ultrasonic wave. ₀ And the vertical axis is the reflection intensity of the ultrasonic wave from the opposing wall. In FIG. 8, the transmission intensity curve of the reflected wave is indicated by h for 0.25 kHz, i for 0.5 kHz, and j for 1 MHz.
The upward arrows l, m, and n in FIG. 8 indicate the relationship between the wavelength of the ultrasonic oscillation frequency and the wall thickness of the stainless steel. In other words, the frequency positions are shown to be 1/2 times, 1 times, and 3/2 times the wall thickness of the stainless steel from the lower wavelength.
From FIG. 8, for example, when the ultrasonic transducer 20 is used by selecting the ultrasonic wave of 1 MHz, if the fundamental frequency is set to about 910 kHz in accordance with the thickness of the pipe wall of stainless steel, the transmission characteristics of the ultrasonic wave are good. I can understand that there is. From the transmission intensity curve j of the frequency, it can be understood that the transmission intensity of the reflected wave is high at the position of the arrow n.
[0059]
(FIG. 9)
A fluid pipe made of carbon steel having a wall thickness of 9.5 mm and an inner diameter of 150 mm is prepared, a 1 MHz ultrasonic wave is selected, an ultrasonic transducer 20 is used, and a fundamental frequency oscillated from the ultrasonic transducer 20 by a frequency selection setting device 19. f ₀ Was set to 910 kHz, and the flow velocity distribution of the fluid to be measured was measured. FIG. 9 shows the results of the time-averaged flow velocity distribution of the fluid to be measured obtained in the measurement experiment.
The measurement point of the flow velocity distribution of the fluid to be measured is on the near side (range of 0 to 60 mm) from the center of the fluid pipe, and it is difficult to obtain a sufficient flow velocity distribution due to the reflection of ultrasonic waves inside the wall. Therefore, the influence of the wall surface on the flow velocity distribution of the fluid to be measured 12 was difficult to appear, and the range was 60 to 150 mm. Then, a relatively smooth average flow velocity distribution curve (O in the figure) was obtained.
By integrating the average flow velocity distribution in the fluid pipe 11 from the average flow velocity distribution curve O, the flow rate of the fluid to be measured 12 flowing in the fluid pipe 11 can be accurately measured in a contact state.
[0060]
(FIG. 10)
FIG. 10 is a variation of the Doppler ultrasonic flow meter shown in FIG. 6, and is referred to as a Doppler ultrasonic flow meter 10A.
As a method of improving the S / N ratio of the reflected wave instead of selecting the optimum frequency of the ultrasonic pulse incident into the fluid pipe 11, a resonance transmission phenomenon is theoretically performed by changing the wall thickness of the fluid pipe 11. Can be considered. However, in reality, it is impossible to change the wall thickness of the fluid pipe 11. Therefore, a mechanism for changing the mounting angle of the ultrasonic transducer 20 with respect to the fluid pipe 11 is provided as a means equivalent to changing the wall thickness of the fluid pipe 11. That is, the Doppler type ultrasonic flow meter is provided with an incident angle adjustment setting means 40 which can adjust and set an incident angle α of the ultrasonic transducer 20 and automatically select an incident angle of the ultrasonic wave which matches the wall thickness of the fluid pipe 11. The frequency selection setting means 19 provided in 10 is omitted. Here, the incident angle α of the ultrasonic wave oscillated from the ultrasonic transducer 20 is an angle formed between a vertical line or a vertical plane of the surface of the fluid pipe 11.
[0061]
The incident angle adjustment setting means 40 is capable of adjusting and setting an ultrasonic transducer 20 whose attachment angle is adjustable from the outside with respect to the fluid pipe 11 and an incident angle α of an ultrasonic pulse oscillated from the ultrasonic transducer 20. Incident angle conversion mechanism 41, incident angle area setting means 43 for operating incident angle conversion mechanism 41 within a predetermined range of incident angle (for example, 5 to 45 degrees), and reception of reflected ultrasonic echo And a reflected wave intensity extracting means 44 for extracting and storing the intensity. The ultrasonic echo intensity extracted and stored by the reflected wave intensity extracting means 44 is displayed on the display device 18 having a reflected wave intensity display function.
[0062]
The incident angle adjustment setting means 40 can change the mounting angle of the ultrasonic transducer 20 with respect to the fluid pipe 11 by the incident angle conversion mechanism 41, and can change the incident angle α of the ultrasonic wave in a range of about 5 to 45 degrees. . Specifically, as shown in FIG. 10, this is achieved by driving the stepping motor 46 by an output signal output from the incident angle conversion mechanism 41 and driving the mounting angle adjustment mechanism by the stepping motor 46.
[0063]
The incident angle α of the ultrasonic pulse oscillated from the ultrasonic transducer 20 is set by the incident angle adjustment setting means 40 as an optimum angle at which a resonant transmission phenomenon occurs with respect to the wall thickness of the fluid pipe 11. This is the same as physically changing the wall thickness without changing the frequency of the ultrasonic pulse so that a resonant transmission phenomenon occurs. Since an ultrasonic pulse causing a resonance transmission phenomenon is incident and a sufficient reflected wave S / N ratio can be secured, the ultrasonic echo is reflected, and the flow velocity distribution and flow rate of the fluid under measurement 12 can be measured accurately and accurately.
[0064]
It should be noted that it is of course possible to manufacture and employ the ultrasonic transducer 20 having the function of the incident angle adjustment setting means 40 described above, that is, the function of changing the incident angle of the ultrasonic wave.
By the way, the above-mentioned incident angle adjustment setting means 40 has been described as being provided instead of the above-mentioned frequency selection setting means 19, but it is of course possible to provide both means 40 and 19 in combination. In that case, the optimum incidence angle and the optimum frequency are automatically selected and set. For example, when the flow velocity is very high, if the incident angle is large, it may be difficult to receive the ultrasonic echo. In such a case, the incident angle is set small and the adjustment of the optimum frequency is prioritized.
[0065]
Since the Doppler ultrasonic flowmeters 10 and 10A shown in FIGS. 6 to 10 are measurement methods dependent on the measurement line ML, increasing the number of the measurement lines ML approaches surface measurement and improves measurement accuracy. It is directly connected to things. Therefore, N ultrasonic transducers 20 are installed at predetermined intervals in the circumferential direction of the fluid pipe 11. Further, it is desirable that the measurement lines ML of all the ultrasonic transducers 20 be inclined at an angle α with respect to the perpendicular to the pipe wall and be installed so as to intersect the axis of the fluid pipe 11.
[0066]
Now, assuming that the flow of the fluid to be measured 12 flowing in the pipe 11 can be neglected in the pipe axis direction, and the flows vr and vθ in the radial direction and the angle θ can be ignored, vx >> vr = vθ, and the flow rate measurement is simplified And expressed by the following equation.
[Equation 3]

In this way, the determined flow rate of the measured fluid 12 can be instantaneously displayed on the display device 18 in a time-dependent manner. The display device 18 can also display a flow velocity distribution of the fluid to be measured 12 along the measurement line ML in the pipe 11 or a flow velocity distribution in a cross section of the pipe.
[0067]
The Doppler type ultrasonic flow meter 10B shown in FIGS. 11 to 13 is suitable for a case where the flow of the fluid to be measured 12 is not parallel to the fluid pipe 11, for example, when a swirling flow occurs in the fluid pipe 11. However, this is intended to enable accurate calculation of the flow velocity and flow rate.
For example, the velocity vector V3 shown in FIG. Suppose that an attempt is made to calculate the flow velocity based on this velocity vector V3. That is, it is assumed that the ultrasonic wave is reflected on the bubbles flowing along the velocity vector V3, and that the ultrasonic reflected echo is received only by the ultrasonic transducer 20. Then, the velocity vector V3 is calculated as the velocity vector V1 parallel to the fluid pipe 11, and becomes larger than the actual flow velocity.
[0068]
Therefore, the ultrasonic transducer is a combination of an ultrasonic transducer 20 installed in the same manner as before and a second ultrasonic transducer 20a installed apart from the ultrasonic transducer 20 in the axial direction of the fluid pipe 11. That is. The ultrasonic transducer 20 and the second ultrasonic transducer 20a are installed at positions where the respective oscillating ultrasonic pulses are orthogonal to each other in the measurement region in the fluid pipe.
Since the second ultrasonic transducer 20a can obtain the velocity vectors V2, V4, and V5, the second ultrasonic transducer 20a can calculate the original velocity vector V3 from the relationship with the velocity vector V1.
[0069]
FIG. 13 illustrates the configuration of the ultrasonic transducer according to this embodiment. That is, it includes a first ultrasonic transducer 20 and a second ultrasonic transducer 20a, and a transducer moving mechanism 46 for relatively moving the transducers 20, 20a. The transducer moving mechanism 46 has a structure for moving ultrasonic pulses oscillated by the first transducer 20 and the second transducer 20a so as to be orthogonal to each other in a measurement region in the fluid pipe.
The transducers 20 and 20a are respectively provided with reflected wave receivers 27 and 27a and velocity vector calculation means 47 and 47a, and the flow velocity vector calculation means 48 calculates the velocity calculated based on the velocity vector calculation means 47 and 47a. A final velocity vector V3 is calculated from the vector sum of the vectors.
[0070]
According to the Doppler ultrasonic flow meter 10B shown in FIGS. 11 to 13, even when the flow direction of the fluid to be measured 12 is not parallel to the fluid pipe 11, the flow direction is vector-calculated and accurate. Flow velocity and flow rate can be calculated.
It should be noted that the Doppler ultrasonic flowmeter 10B, which is a set of the first ultrasonic transducer 20 and the second ultrasonic transducer 20a, is positioned at a plurality of positions in the circumferential direction of the fluid pipe 11 and is combined with each other to achieve more accurate measurement. It is possible to calculate an appropriate flow velocity and flow rate.
[0071]
【The invention's effect】
According to the first to sixth aspects of the present invention, it is possible to provide a Doppler ultrasonic flowmeter capable of expanding a measurable range regardless of hardware limitations.
Further, according to the inventions of claims 7 to 9, there is provided a measurement method capable of expanding a measurable range using a Doppler ultrasonic flow meter regardless of the limitation of hardware. I was able to.
According to the tenth and eleventh aspects of the present invention, a flow rate measuring program capable of expanding a measurable range using a Doppler ultrasonic flow meter regardless of hardware limitations. Could be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram showing a configuration of an embodiment.
FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating a configuration of an embodiment.
FIG. 3 is a diagram illustrating a screen output to a monitor of a computer.
FIG. 4 is a diagram illustrating a screen output to a monitor of a computer.
FIG. 5 is a diagram illustrating a screen output to a monitor of a computer.
FIG. 6 is a diagram illustrating a hardware configuration of the embodiment.
FIG. 7 is a diagram for explaining the operating principle of the Doppler ultrasonic flowmeter.
FIG. 8 is a diagram illustrating an example of an ultrasonic wall transmission experiment.
FIG. 9 shows a result of a time-averaged flow velocity distribution of a measured fluid obtained in a measurement experiment.
FIG. 10 is a hardware configuration diagram showing an embodiment in which an incident angle of an ultrasonic wave can be changed.
FIG. 11 is a diagram showing a flow that is not parallel to a fluid pipe by vector.
FIG. 12 is a diagram illustrating the principle of measuring a flow that is not parallel to a fluid pipe by providing a plurality of ultrasonic transducers in a pipe axis direction.
FIG. 13 is a signal processing block diagram when a plurality of ultrasonic transducers are provided in the tube axis direction.
[Explanation of symbols]
10,10A, 10B Doppler ultrasonic flowmeter
11 Fluid pipe 12 Fluid to be measured
13 Ultrasonic velocity distribution measurement unit (Udflow unit)
15 Ultrasonic transmitting means 16 Fluid velocity distribution measuring means
17 Computer (fluid flow rate calculation means)
18 display device 19 frequency selection setting means
20,20a Ultrasonic transducer
21 Oscillation amplifier (signal generator)
23 Oscillator (24) Emitter
27 reflected wave receiver (ultrasonic wave receiving means)
28 amplifier 29 A / D converter
30 Flow velocity distribution measurement circuit 31 Oscillation frequency variable device
32 fundamental frequency region setting means 33 reflected wave intensity extracting means
35 contact medium
40 incident angle adjustment setting means 41 incident angle conversion mechanism
43 Incident angle area setting means 44 Reflected wave intensity extracting means
46 Ultrasonic transducer moving mechanism

Claims (11)

Ultrasonic transmission means for causing an ultrasonic pulse of a required frequency to be incident from the ultrasonic transducer along the measurement line into the fluid to be measured in the fluid pipe,
Fluid velocity distribution measuring means for receiving the ultrasonic echo reflected from the measurement region among the ultrasonic pulses incident on the measurement target fluid, and measuring the flow velocity distribution of the measurement target fluid in the measurement region,
A Doppler type ultrasonic flow meter comprising: a flow rate calculating unit configured to calculate a flow rate of the measured fluid in the measurement area based on the flow velocity distribution of the measured fluid.
Channel distance calculation means for calculating the minimum channel distance from the frequency and speed of the ultrasonic pulse,
Measurable range display means for displaying a measurable range from the calculated minimum channel distance,
Channel distance change determination means for allowing a user who browses the displayed measurable range to change / determine whether to multiply the minimum channel distance by an integer,
The Doppler ultrasonic flowmeter, wherein the fluid velocity distribution measuring means measures the flow velocity distribution using the determined channel distance. Ultrasonic transmission means for causing an ultrasonic pulse of a required frequency to be incident from the ultrasonic transducer along the measurement line into the fluid to be measured in the fluid pipe,
Fluid velocity distribution measuring means for receiving the ultrasonic echo reflected from the measurement region among the ultrasonic pulses incident on the measurement target fluid, and measuring the flow velocity distribution of the measurement target fluid in the measurement region,
A Doppler type ultrasonic flow meter comprising: a flow rate calculating unit configured to calculate a flow rate of the measured fluid in the measurement area based on the flow velocity distribution of the measured fluid.
Channel distance calculation means for calculating the minimum channel distance from the frequency and speed of the ultrasonic pulse,
Channel distance change determining means for inputting data such as the inner diameter of the fluid pipe of the fluid to be measured, and for changing and determining whether or not to multiply the minimum channel distance by an integer when necessary in relation to the measurable range. Prepare,
The Doppler ultrasonic flowmeter, wherein the fluid velocity distribution measuring means measures the flow velocity distribution using the determined channel distance. A frequency selection setting unit that automatically sets an optimum frequency as a fundamental frequency that causes a resonance transmission phenomenon with respect to a pipe wall of a fluid pipe through which a fluid to be measured flows;
The ultrasonic transducer of the ultrasonic transmitting means oscillates at the optimum frequency,
3. The Doppler system according to claim 1, wherein the channel distance calculating means calculates the minimum channel distance from the optimum frequency determined by the frequency selection setting means and the speed of the ultrasonic pulse. Ultrasonic flow meter. An incident angle adjustment setting means for adjusting and setting an incident angle of an ultrasonic pulse incident from the ultrasonic transducer into the fluid to be measured,
The incident angle adjustment setting means is capable of adjusting and setting the ultrasonic transducer with respect to the fluid pipe such that the ultrasonic pulse has an incident angle with respect to the pipe wall of the fluid pipe that causes a resonance transmission phenomenon. The Doppler ultrasonic flowmeter according to any one of claims 1 to 3. The ultrasonic transducer includes a first transducer, a second transducer that is disposed apart from the first transducer in an axial direction of a fluid pipe, and a transducer moving mechanism that relatively moves the first transducer and the second transducer. With
5. The transducer moving mechanism according to claim 3, wherein the ultrasonic pulse oscillated by the first transducer and the second transducer is moved orthogonally in a measurement area in the fluid pipe. 6. Doppler ultrasonic flowmeter. A first reflected wave receiver and a second reflected wave receiver that respectively receive an ultrasonic echo that is a reflected wave from a measurement region in a fluid pipe of an ultrasonic pulse oscillated from the first transducer and the second transducer,
Velocity vector calculation means for calculating a velocity vector in the direction of the ultrasonic measurement line from the intensity of the ultrasonic echo received by the first reflected wave receiver and the second reflected wave receiver,
Flow velocity vector calculation means for calculating a flow velocity vector of the fluid to be measured from the vector sum of the respective velocity vectors calculated by the velocity vector calculation means,
The fluid velocity distribution measuring means measures the velocity distribution using the velocity vector,
6. The Doppler ultrasonic flowmeter according to claim 5, wherein the flow rate calculating means calculates the flow rate of the fluid to be measured using the flow velocity distribution. An ultrasonic transmission means for injecting an ultrasonic pulse of a required frequency from the ultrasonic transducer along the measurement line into the fluid to be measured in the fluid pipe; and an ultrasonic pulse incident on the fluid to be measured reflected from the measurement area. Fluid velocity distribution measuring means for receiving the ultrasonic echo, and measuring the flow velocity distribution of the fluid to be measured in the measurement area,
A flow rate measuring method using a Doppler ultrasonic flow meter, comprising: a flow rate calculating unit that calculates a flow rate of the measured fluid in the measurement region based on the flow velocity distribution of the measured fluid.
A channel distance calculation procedure for calculating the minimum channel distance from the frequency and speed of the ultrasonic pulse,
Measurable range display procedure for displaying the measurable range from the calculated minimum channel distance,
A channel distance change determination procedure for allowing a user who browses the displayed measurable range to change / determine whether to multiply the minimum channel distance by an integer,
A fluid velocity distribution measuring procedure for causing the fluid velocity distribution measuring means to measure a flow velocity distribution using the determined channel distance. Ultrasonic transmission means for causing an ultrasonic pulse of a required frequency to be incident from the ultrasonic transducer along the measurement line into the fluid to be measured in the fluid pipe,
Fluid velocity distribution measuring means for receiving the ultrasonic echo reflected from the measurement region among the ultrasonic pulses incident on the measurement target fluid, and measuring the flow velocity distribution of the measurement target fluid in the measurement region,
A flow rate measuring method using a Doppler ultrasonic flow meter, comprising: a flow rate calculating unit that calculates a flow rate of the measured fluid in the measurement region based on the flow velocity distribution of the measured fluid.
A channel distance calculation procedure for calculating the minimum channel distance from the frequency and speed of the ultrasonic pulse,
Enter data such as the inside diameter of the fluid piping for the fluid to be measured,
A channel distance change determination procedure for changing / determining whether or not to multiply the minimum channel distance by an integer when necessary in relation to the measurable range;
A fluid velocity distribution measuring procedure for causing the fluid velocity distribution measuring means to measure a flow velocity distribution using the determined channel distance. The Doppler ultrasonic flow meter has frequency selection setting means for automatically setting an optimum frequency as a fundamental frequency that causes a resonance transmission phenomenon with respect to a pipe wall of a fluid pipe through which a fluid to be measured flows,
The ultrasonic transducer of the ultrasonic transmitting means oscillates at the optimum frequency,
9. The flow rate measurement according to claim 7, wherein the channel distance calculation procedure calculates the minimum channel distance from the optimum frequency determined by the frequency selection setting means and the speed of the ultrasonic pulse. Method. Ultrasonic transmission means for causing an ultrasonic pulse of a required frequency to be incident from the ultrasonic transducer along the measurement line into the fluid to be measured in the fluid pipe,
Fluid velocity distribution measuring means for receiving the ultrasonic echo reflected from the measurement region among the ultrasonic pulses incident on the measurement target fluid, and measuring the flow velocity distribution of the measurement target fluid in the measurement region,
A flow rate measurement program using a Doppler ultrasonic flow meter including a flow rate calculation unit that calculates a flow rate of the measurement target fluid in the measurement region based on the flow velocity distribution of the measurement target fluid,
The program includes a channel distance calculation procedure for calculating the minimum channel distance from the frequency and speed of the ultrasonic pulse,
Measurable range display procedure for displaying the measurable range from the calculated minimum channel distance,
A channel distance change determination procedure for allowing a user who browses the displayed measurable range to change or determine whether to multiply the minimum channel distance by an integer, and to the fluid velocity distribution measuring means using the determined channel distance On the other hand, a flow rate measurement program for causing a computer to execute a fluid velocity distribution measurement procedure for measuring a flow velocity distribution. Ultrasonic transmission means for causing an ultrasonic pulse of a required frequency to be incident from the ultrasonic transducer along the measurement line into the fluid to be measured in the fluid pipe,
Fluid velocity distribution measuring means for receiving the ultrasonic echo reflected from the measurement region among the ultrasonic pulses incident on the measurement target fluid, and measuring the flow velocity distribution of the measurement target fluid in the measurement region,
A flow rate measurement program using a Doppler ultrasonic flow meter including a flow rate calculation unit that calculates a flow rate of the measurement target fluid in the measurement region based on the flow velocity distribution of the measurement target fluid,
The program includes a channel distance calculation procedure for calculating the minimum channel distance from the frequency and speed of the ultrasonic pulse,
Enter data such as the inside diameter of the fluid piping for the fluid to be measured,
A channel distance change determination procedure for changing / determining whether or not to multiply the minimum channel distance by an integer when necessary in relation to the measurable range;
A flow rate measuring program for causing a computer to execute a fluid velocity distribution measuring procedure for causing the fluid velocity distribution measuring means to measure a flow velocity distribution using the determined channel distance.

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