JP2012058186A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波流量計において、出力する超音波の周波数をより適切に設定し、測定誤差を小さくする。
【解決手段】流体が流れる配管内に向けて超音波信号を出力し、超音波信号の反射信号に基づいて流体の流量を算出する超音波流量計であって、配管の温度を取得する温度取得部と、取得した配管の温度に基づいて配管内の音速を算出し、算出された配管内の音速を用いて、予め定められた計測誤差を小さくするための規則に従って超音波信号の周波数を設定する送信周波数設定部とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波流量計に関し、特に、出力する超音波の周波数を適切に設定するための技術に関する。

超音波流量計は、配管内を流れる被測定流体中に含まれる気泡やパーティクル等の超音波反射体が被測定流体と同じ速度で移動すると仮定し、これらの移動速度を求めることで、被測定流体の流速分布や流量を測定する。

超音波流量計において、超音波反射体の移動速度を求める方法の１つとして、ドップラー法が用いられている。ドップラー法は、図５に示すように、被測定流体が流れる配管３０の外周面に傾斜して取り付けられた音波伝搬性の楔２１０に固定された超音波振動子２２０から、特定の周波数の超音波信号を配管内３０に楔２１０を介して斜めに入射し、被測定流体中の超音波反射体３１０によって反射するエコー波を超音波振動子２２０で受信する。

超音波反射体３１０によって反射するエコー波は、ドップラー効果により、超音波反射体３１０の移動速度に応じて周波数が変化するため、この変化量を検出することで、配管３０内を流れる被測定流体の速度を求めることができる。

超音波反射体３１０による反射は、配管３０内の各所で起こるため、径方向について被測定流体の速度分布を求めることができ、得られた速度分布を配管３０の断面積に沿って積分することで、被測定流体の流量を算出することができる。

また、同様の構成により、超音波信号を時間間隔ΔＴで複数回出射し、超音波反射体からの複数個のエコー波信号について相関演算を行ない、相関係数の高い波形を同一の超音波反射体からの反射信号であるとみなして、その伝搬時間と時間差とに基づいて超音波反射体の位置と移動速度とを算出することで、配管内の流速分布を求め、流体の流量を算出する反射相関法も用いられている。

超音波流量計においては、図６に一例を示すように、出力する超音波の周波数によって、測定される流量の誤差が異なることが知られている。本図の例では、出力する超音波信号の周波数によって、測定誤差に数％の差違が生じている。これは、図７に示すように、配管３０の壁で多重に反射する波が、測定のための超音波信号と多重に重なるためである。

そこで、特許文献１には、反射信号に影響を与える多重波が小さくなる周波数を、配管３０の肉厚と配管３０内の音速とから求めることで、超音波流量計の測定誤差を小さくすることが記載されている。

特開２００６−３００４１号公報

配管３０内の音速は、配管３０の材質によって異なるため、従来は、材質毎の音速を記録したテーブルを用意しておき、ユーザによって設定された配管３０の材質に応じて配管３０内の音速を設定して、測定誤差が小さくなる適切な周波数を算出するようにしていた。

しかしながら、配管３０内の音速は、材質以外の条件によっても変化するため、従来の手法で算出された周波数は必ずしも適切な値であるとは限られなかった。

そこで、本発明は、超音波流量計において、出力する超音波の周波数をより適切に設定し、測定誤差を小さくすることを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の超音波流量計は、流体が流れる配管内に向けて超音波信号を出力し、前記超音波信号の反射信号に基づいて前記流体の流量を算出する超音波流量計であって、前記配管の温度を取得する温度取得部と、取得した前記配管の温度に基づいて前記配管内の音速を算出し、算出された前記配管内の音速を用いて、予め定められた計測誤差を小さくするための規則に従って前記超音波信号の周波数を設定する送信周波数設定部と、を備えたことを特徴とする。

ここで、前記送信周波数設定部は、配管の温度と配管内の音速との対応関係を示したデータを用いて、前記配管内の音速を算出することができる。

また、前記温度取得部は、前記配管に取り付けられた温度センサの検出結果に基づいて前記配管の温度を取得することができる。

本発明によれば、超音波流量計において、出力する超音波の周波数をより適切に設定することができる。これにより、測定誤差を小さくすることができる。

本実施形態に係る超音波流量計の構成を示すブロック図である。 入射角、屈折角を説明するための図である。 配管温度と配管音速との関係例を示す図である。 超音波流量計の処理動作について説明するフローチャートである。 超音波流量計の測定部の構成を説明するための図である。 送信周波数と測定誤差との関係の一例を示す図である。 配管における多重波を説明するための図である。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る超音波流量計の構成を示すブロック図である。本図に示すように、配管３０内を流れる被測定流体の流量を計測する超音波流量計１０は、配管３０の外周面に取り付けられた音波伝搬性の楔２１０と、楔２１０に固定された超音波振動子２２０と、配管３０の温度を検出する温度センサ２３０と、制御部１００とを備えて構成される。

温度センサ２３０は、配管３０の温度を精度高く検出できるように、例えば、配管３０の外壁に接するように配置されている。ただし、赤外線等を利用して、非接触で配管３０の温度を検出するようにしてもよい。

制御部１００は、ＣＰＵ、メモリ等を備えた情報処理装置、専用装置等で構成することができ、送信制御部１１０、受信処理部１２０、流速算出部１３０、流量算出部１４０、測定結果出力部１５０、パラメータ設定部１６０、パラメータ保存部１７０、送信周波数設定部１８０、温度取得部１９０を備えている。

送信制御部１１０は、送信周波数設定部１８０で設定された周波数の超音波信号を、所定のタイミングで、超音波振動子２２０から出力させる。超音波振動子２２０から出力された超音波信号は、楔２１０を介して配管３０内に斜めに入射する。

受信処理部１２０は、超音波振動子２２０が受信したエコー波信号に対してデジタルサンプリング処理、フィルタ処理、メモリへの格納処理等を行なう。流速算出部１３０は、エコー波信号を用いて、配管３０内を流れる被計測流体の流速分布を算出する。流速算出部１３０は、ドップラー法、反射相関法のいずれの方式を採用してもよい。

流量算出部１４０は、流速分布に基づいて配管３０内を流れる被計測流体の流量を算出する。測定結果出力部１５０は、計測された流量、流速分布等を、内部あるいは外部の表示装置に表示したり、記憶装置に格納したりする。

以上の、送信制御部１１０、受信処理部１２０、流速算出部１３０、流量算出部１４０、測定結果出力部１５０は、従来と同様の内容とすることができるため、詳細な説明は割愛する。

パラメータ設定部１６０は、ユーザから測定に必要なパラメータの設定を受け付け、パラメータ保存部１７０に格納する。パラメータ設定部１６０が受け付けるパラメータは、配管３０の材質、配管３０の肉厚ｔ、配管３０の外径、楔２１０内の音速Ｃ１、管内（流体）の音速、入射角θ１等である。

ここで、入射角θ１は、図２に示すように、超音波信号が楔２１０から配管３０に入射する際の角度である。また、後述する屈折角θ２は、配管３０での屈折後の角度、すなわち、配管３０から管内に入射する際の角度である。また、本図は、配管３０の肉厚ｔ、楔２１０内の音速Ｃ１、配管３０内の音速Ｃ２についても示している。

図１の説明に戻って、送信周波数設定部１８０は、測定誤差が小さくなるような送信周波数を設定する機能部であり、配管音速算出部１８１、屈折角算出部１８２、送信周波数算出部１８３を備えている。

ここで、流量誤差が小さくなる周波数ｆは、図２に示した屈折角θ２、配管３０の肉厚ｔ、配管３０内の音速Ｃ２を用いて、［数１］に従って求めることができる。

ただし、ｍは、非共鳴周波数となる１．５、２．５、３．５…、あるいは、共鳴周波数となる１、２、３を用いるものとする。

［数１］が示すように、流量誤差が小さくなる周波数ｆは、配管３０内における音速Ｃ２（横波音速）に依存する。このため、流量誤差を小さくするためには、配管３０内における音速Ｃ２を適切に設定する必要がある。

本実施形態において、配管音速算出部１８１は、従来の配管材質等に加え、配管３０の温度を考慮して配管３０内における音速Ｃ２を算出する。すなわち、配管音速Ｃ２は、図３に示すように、材質が同一であっても、配管温度Ｔによって変化する。

このため、配管温度Ｔに応じた配管音速Ｃ２を用いて周波数ｆを算出することで、出力する超音波の周波数ｆをより適切に設定することができ、測定誤差を小さくすることができる。なお、配管音速算出部１８１は、温度取得部１９０を介して、温度センサ２３０が検出する配管３０の温度を取得する。

配管音速算出部１８１は、例えば、配管材質毎に用意された温度音速対応テーブル１８４を備えており、温度音速対応テーブル１８４を参照することで、温度取得部１９０を介して取得した配管温度Ｔに応じた配管音速Ｃ２を算出する。あるいは、配管温度Ｔと配管音速Ｃ２との関係を表わす関数Ｃ２＝ｆ（Ｔ）を、配管材質毎に記録しておいて、取得した配管温度Ｔに対応した配管音速Ｃ２を算出するようにしてもよい。

図１の説明に戻って、屈折角算出部１８２は、配管音速算出部１８１によって算出された配管音速Ｃ２を用いて、［数２］に示すスネルの法則に従って、屈折角θ２を算出する。この際に、楔２１０内の音速Ｃ１についても楔２１０の温度に基づいて補正するようにしてもよい。

送信周波数算出部１８３は、算出された配管音速Ｃ２および屈折角θ２を用いて、［数１］に従って周波数ｆを算出して、送信制御部１１０に出力する。

次に、図４のフローチャートを参照して、本実施形態における超音波流量計１０の処理動作について説明する。

まず、パラメータ設定部１６０が、ユーザから計測に必要なパラメータの設定を受け付ける（Ｓ１０１）。ここで、受け付けるパラメータは、配管３０の材質、配管３０の肉厚ｔ、配管３０の外径、楔２１０内の音速Ｃ１、入射角θ１等であり、測定前に１度だけ受け付ければよい。受け付けたパラメータは、パラメータ保存部１７０に保存する。

次いで、配管温度Ｔを計測し（Ｓ１０２）、計測された温度Ｔに基づいて、配管音速算出部１８１が、配管音速Ｃ２を算出する（Ｓ１０３）。そして、算出された配管音速Ｃ２を用いて、屈折角算出部１８２が屈折角θ２を算出する（Ｓ１０４）。配管音速Ｃ２と屈折角θ２が算出されると、送信周波数算出部１８３が［数１］に従って、周波数ｆを算出する（Ｓ１０５）。

そして、送信制御部１１０が、算出された周波数ｆの超音波信号を所定のタイミングで、超音波振動子２２０から出射させる（Ｓ１０６）。このとき、計測方法としてドップラー法を採用している場合は、１回の測定に付き、少なくとも１回、反射相関法を採用している場合は、１回の測定に付き、少なくとも２回の超音波信号出射を行なう。

被計測流体内を移動する超音波反射体からのエコー波信号を受信すると（Ｓ１０７）、流速算出部１３０が、エコー波信号を用いて、配管３０内を流れる被計測流体の流速分布を算出する（Ｓ１０８）。

具体的には、ドップラー法を採用している場合は、エコー波信号の周波数の出力超音波信号の周波数ｆからの変化量を検出して、流速分布を求める。また、反射相関法を採用している場合は、超音波反射体からの複数個のエコー波信号について相関演算を行ない、相関係数の高い波形を同一の超音波反射体からの反射信号であるとみなして、その伝搬時間と時間差とに基づいて超音波反射体の位置と移動速度とを算出することで、配管内の流速分布を求める。

そして、流量算出部１４０が、得られた速度分布を配管３０の断面積に沿って積分することで、被測定流体の流量を算出する（Ｓ１０９）。算出結果は、測定結果出力部１５０が超音波流量計１０の内部あるいは外部に設けられた表示装置等に出力する（Ｓ１１０）。ただし、複数回の測定結果を蓄積して異常値排除処理、平均化処理等を施した上で、出力するようにしてもよい。

以上の、配管温度計測（Ｓ１０２）以降の処理を、流量測定が終了するまで繰り返す（Ｓ１１１）ことにより、配管温度による配管音速の変化を考慮した適切な周波数設定を行なうことができ、超音波流量計１０における測定誤差を小さくすることができる。

なお、配管温度Ｔが安定している場合等には、配管温度計測（Ｓ１０２）、配管音速算出（Ｓ１０３）、屈折角算出（Ｓ１０４）、送信周波数算出（Ｓ１０４）の各処理は、毎回行なう必要はなく、例えば、所定回数毎に行なったり、所定時間毎、環境温度の変化時等に行なうようにしてもよい。

また、上述の例では、配管温度Ｔとして、配管３０の外壁に取り付けた温度センサ２３０の検出結果を用いていたが、例えば、被計測流体の温度を計測して、配管温度Ｔを推定したり、楔２１０の表面温度を計測して配管温度Ｔを推定するようにしてもよい。

あるいは、直接的に温度を検出せずに、配管３０の横弾性係数、ヤング率、ポワソン比等の温度に依存する値を検出して、間接的に配管温度Ｔを求めるようにしてもよい。さらには、実際に配管音速Ｃ２を計測したり、楔２１０内の音速、被測定流体内の音速等から配管音速Ｃ２を推定するようにしてもよい。

１０…超音波流量計、３０…配管、１００…制御部、１１０…送信制御部、１２０…受信処理部、１３０…流速算出部、１４０…流量算出部、１５０…測定結果出力部、１６０…パラメータ設定部、１７０…パラメータ保存部、１８０…送信周波数設定部、１８１…配管音速算出部、１８２…屈折角算出部、１８３…送信周波数算出部、１８４…温度音速対応テーブル、１９０…温度取得部、２１０…楔、２２０…超音波振動子、２３０…温度センサ、３１０…超音波反射体

Claims (3)

1. 流体が流れる配管内に向けて超音波信号を出力し、前記超音波信号の反射信号に基づいて前記流体の流量を算出する超音波流量計であって、
   前記配管の温度を取得する温度取得部と、
   取得した前記配管の温度に基づいて前記配管内の音速を算出し、算出された前記配管内の音速を用いて、予め定められた計測誤差を小さくするための規則に従って前記超音波信号の周波数を設定する送信周波数設定部と、
   を備えたことを特徴とする超音波流量計。
2. 前記送信周波数設定部は、配管の温度と配管内の音速との対応関係を示したデータを用いて、前記配管内の音速を算出することを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
3. 前記温度取得部は、前記配管に取り付けられた温度センサの検出結果に基づいて前記配管の温度を取得することを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。