JP5447561B2 - 超音波測定器 - Google Patents

Description

本発明は、超音波を用いて流体の流速や流量を測定する超音波測定器に関する。

配管内を流れる流体の流速や流量を測定する測定器の１つとして、超音波を用いた超音波測定器が知られている。かかる超音波測定器は、配管に対する穴あけ等の加工をすることなしに、超音波の送受信を行うトランスデューサを配管の外表面に取り付けるだけで測定を行うことができるという利点がある。この超音波測定器の代表的なものに透過法（伝播時間差法）を用いるもの、或いは反射法（反射相関法）を用いるものがある。

透過法を用いる超音波測定器は、配管内を流れる流体に対して斜め方向に超音波信号を送受信し、流体の流れに沿う向きに超音波信号を送受信した場合の伝播時間と、流体の流れに逆らう向きに超音波信号を送受信した場合の伝播時間との差を求めることで、配管内を流れる流体の流速等を測定するものである。これに対し、反射法を用いる超音波測定器は、配管内を流れる流体に対して斜め方向に超音波信号を複数回に亘って送信するとともに流体に含まれる気泡や微小粒子（パーティクル）からの反射信号を複数回に亘って受信し、受信信号の相関から流速等を測定するものである。

以下の特許文献１には、透過法による測定と反射法による測定との双方が可能であって、配管を流れる流体を介した超音波信号を受信して得られる受信信号の強度又は相関値に応じて、透過法による測定と反射法による測定とを切り替える超音波測定器が開示されている。また、以下の特許文献２には、透過法によって流量を測定する場合に、反射法及び透過法によってそれぞれ測定された平均流速から流量補正係数を求め、透過法によって測定された平均流速と流量補正係数とを元に正確な流量を算出する超音波測定器が開示されている。

特開２００５−１８１２６８号公報 特開２０１０−１８１３２６号公報

ところで、透過法を用いる超音波測定器は、流体に気泡が全く含まれていなくとも測定を行うことができるが、流体に含まれる気泡の量が多くなると超音波が気泡に遮られて測定を行うことができなくなる。これに対し、反射法を用いる超音波測定器は、流体に含まれる気泡の量が多くとも測定を行うことができるが、流体に気泡が全く含まれていない場合には気泡からの反射信号が得られなくなるため測定を行うことができなくなる。

上述した特許文献１に開示された超音波測定器は、透過法による測定と反射法による測定との切り替えが可能であるため、流体に含まれる気泡の量に応じて測定方法を切り替えれば、流体に含まれる気泡の量に拘わらず測定を行うことが可能であると考えられる。しかしながら、透過法のみによって測定を行う場合、或いは反射法のみによって測定を行う場合には、高い精度を得ることが困難であるという問題がある。例えば、反射法のみによって測定を行う場合には、超音波の発振状態、配管との共鳴、配管壁付近の残響等の種々の要因によって測定精度が悪化してしまうという問題がある。

ここで、上述した特許文献２に開示された超音波測定器は、反射法及び透過法によってそれぞれ測定された平均流速から求められる流量補正係数と、透過法によって測定された平均流量とを元に流量を算出しているため、高い測定精度を得ることができる。しかしながら、特許文献２に開示された超音波測定器は、透過法による測定と反射法による測定との双方が可能な適量の気泡が流体に含まれている場合の測定に限られてしまうという問題がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、流体に含まれる気泡の量に拘わらず高い精度で測定を行うことが可能な超音波測定器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の超音波測定器は、流体（Ｘ）に対して超音波信号を送信するとともに、前記流体から得られる前記超音波信号の透過信号或いは反射信号を受信して前記流体の流量を測定する超音波測定器（１）において、前記透過信号を受信して得られる第１受信信号に対する演算を行って前記流体の流量を示す第１流量を求める第１演算部（２１）と、前記反射信号を受信して得られる第２受信信号の相関演算を行って前記流体の流量を示す第２流量を求める第２演算部（２２）と、前記第１流量の補正に用いられる第１補正係数（Ｋｒ）及び前記第２流量の補正に用いられる第２補正係数（Ｃｒ）を記憶する記憶部（２５）と、前記流体に含まれる気泡（Ｂ）の量に応じて、前記記憶部に記憶された前記第１補正係数を用いて補正した前記第１流量と前記第２補正係数を用いて補正した前記第２流量との何れか一方を出力する補正部（２６）とを備えることを特徴としている。
この発明によると、透過信号を受信して得られる第１受信信号から流体の流量を示す第１流量が第１演算部で求められるとともに、反射信号を受信して得られる第２受信信号から流体の流量を示す第２流量が第２演算部で求められ、流体に含まれる気泡の量に応じて、記憶部に記憶された第１補正係数を用いて補正された第１流量と第２補正係数を用いて補正された第２流量との何れか一方が出力される。
また、本発明の超音波測定器は、前記第１演算部で得られる第１相関値と前記第２演算部で得られる第２相関値とを用いて前記流体に含まれる気泡の量を判定する判定部（２３）を備えることを特徴としている。
また、本発明の超音波測定器は、前記判定部が、前記第１相関値が前記流体に含まれる気泡の量を考慮して設定された第１閾値を超えたか否かを判定する第１判定部（２３ａ）と、前記第２相関値が前記流体に含まれる気泡の量を考慮して設定された第２閾値を超えたか否かを判定する第２判定部（２３ｂ）とを備えることを特徴としている。
また、本発明の超音波測定器は、前記補正部が、前記第１相関値が前記第１閾値を超えたと前記第１判定部で判定された場合に、前記第１補正係数を用いて補正した前記第１流量を出力し、前記第１相関値が前記第１閾値を超えていないと前記第１判定部で判定され、且つ前記第２相関値が前記第２閾値を超えたと前記第２判定部で判定された場合に、前記第２補正係数を用いて補正した前記第２流量を出力することを特徴としている。
また、本発明の超音波測定器は、前記第２相関値が前記第２閾値を超えたと前記第２判定部で判定された場合に、前記第１補正係数を算出する第１算出部（２４ａ）と、前記第１，第２相関値が前記第１，第２閾値を超えたと前記第１，第２判定部でそれぞれ判定された場合に、前記第２補正係数を算出する第２算出部（２４ｂ）とを備えることを特徴としている。
また、本発明の超音波測定器は、前記第１補正係数が、前記第２受信信号から求められた前記流体の流量と平均流速に基づく流量との比を示す係数であり、前記第２補正係数が、前記第１補正係数を用いて補正された前記第１流量と前記第２受信信号から求められた前記流体の流量との比を示す係数であることを特徴としている。

本発明によれば、透過信号を受信して得られる第１受信信号から流体の流量を示す第１流量を求めるとともに、反射信号を受信して得られる第２受信信号から流体の流量を示す第２流量を求め、流体に含まれる気泡の量に応じて、記憶部に記憶された第１補正係数を用いて補正された第１流量と第２補正係数を用いて補正された第２流量との何れか一方を出力するようにしている。このため、流体に含まれる気泡の量に拘わらず高い精度で測定を行うことが可能であるという効果がある。

本発明の一実施形態による超音波測定器の要部構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による超音波測定器が備える信号処理部の要部構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による超音波測定器で求められる流速分布の一例を示す図である。 本発明の一実施形態による超音波測定器における補正係数の算出条件を示す図である。 本発明の一実施形態による超音波測定器における測定信号の出力条件を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態による超音波測定器について詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態による超音波測定器の要部構成を示すブロック図である。図１に示す通り、本実施形態の超音波測定器１は、制御部１０、駆動信号生成回路１１、送信切替器１２、送信回路１３ａ，１３ｂ、トランスデューサ１４ａ，１４ｂ、受信回路１５ａ，１５ｂ、受信切替器１６、Ａ／Ｄ変換器１７、及び信号処理部１８を備えており、超音波信号を用いて配管ＴＢ内を流れる流体Ｘの流速や流量を測定する。

本実施形態の超音波測定器１は、透過法（伝播時間差法）による測定と、反射法（反射相関法）による測定とが可能である。透過法による測定を行う場合には、配管ＴＢ内を流れる流体Ｘに対して斜め方向に超音波信号を送受信し、流体Ｘの流れに沿う向きに超音波信号を送受信した場合の伝播時間と、流体Ｘの流れに逆らう向きに超音波信号を送受信した場合の伝播時間との差を求めることで、配管ＴＢ内を流れる流体Ｘの流量等を測定する。また、反射法による測定を行う場合には、配管ＴＢ内を流れる流体Ｘに対して斜め方向に超音波信号を複数回に亘って送信するとともに流体Ｘに含まれる気泡Ｂからの反射信号を複数回に亘って受信し、受信信号に対する相関処理を行って配管ＴＢ内を流れる流体Ｘの流量等を測定する。

制御部１０は、超音波測定器１の動作を統括して制御する。例えば、駆動信号生成回路１１に対してトリガ信号Ｔｒを出力して流体Ｘに対する超音波信号の送信制御を行う。また、送信切替器１２及び受信切替器１６に対して切替信号Ｃ１，Ｃ２をそれぞれ出力するとともに信号処理部１８に制御信号Ｃ３を出力して、上述した透過法による測定或いは反射法による測定の切り替え制御を行う。

駆動信号生成回路１１は、制御部１０から出力されるトリガ信号Ｔｒに基づいて、流体Ｘに送信すべき超音波信号を発生させるための駆動信号Ｓ０を出力する。送信切替器１２は、駆動信号生成回路１１からの駆動信号Ｓ０を入力としており、制御部１０から出力される切替信号Ｃ１に基づいて駆動信号Ｓ０の出力先を送信回路１３ａ，１３ｂの何れにするかを切り替える。

送信回路１３ａは、送信切替器１２からの駆動信号Ｓ０をトランスデューサ１４ａに出力して流体Ｘに対して超音波信号を送信させる。同様に、送信回路１３ｂは、送信切替器１２からの駆動信号Ｓ０をトランスデューサ１４ｂに出力して流体Ｘに対して超音波信号を送信させる。トランスデューサ１４ａ，１４ｂは、流体Ｘが流れる向き（紙面右向き）に見て配管ＴＢを挟むように配管ＴＢの外表面に取り付けられており、駆動信号Ｓ０に基づいた超音波信号の送受信を行う。尚、これらトランスデューサ１４ａ，１４ｂは、配管ＴＢに対する穴あけ等の加工をすることなく取り付けが可能であり、図１に示す通り、トランスデューサ１４ｂは、トランスデューサ１４ａよりも下流側（流体Ｘが流れる向きの下流側）に取り付けられている。

具体的に、トランスデューサ１４ａは、送信回路１３ａから出力される駆動信号Ｓ０に基づいて配管ＴＢ内を流れる流体Ｘに対して斜め方向（トランスデューサ１４ｂに向かう方向）に超音波信号を送信し、流体Ｘから得られる超音波信号の透過信号又は反射信号を受信して受信信号Ｓ１を出力する。ここで、上記の透過信号はトランスデューサ１４ｂから送信されて流体Ｘを透過した超音波信号であり、上記の反射信は、トランスデューサ１４ａから送信されて流体Ｘに含まれる気泡Ｂによって反射された超音波信号である。

また、トランスデューサ１４ｂは、送信回路１３ｂから出力される駆動信号Ｓ０に基づいて配管ＴＢ内を流れる流体Ｘに対して斜め方向（トランスデューサ１４ａに向かう方向）超音波信号を送信し、流体Ｘから得られる超音波信号の透過信号又は反射信号を受信して受信信号Ｓ２を出力する。ここで、上記の透過信号はトランスデューサ１４ａから送信されて流体Ｘを透過した超音波信号であり、上記の反射信号は、トランスデューサ１４ｂから送信されて流体Ｘに含まれる気泡Ｂによって反射された超音波信号である。

受信回路１５ａは、トランスデューサ１４ａから出力される受信信号Ｓ１を所定の増幅率で増幅し、受信回路１５ｂは、トランスデューサ１４ｂから出力される受信信号Ｓ２を所定の増幅率で増幅する。受信切替器１６は、受信回路１５ａ，１５ｂで増幅された受信信号Ｓ１，Ｓ２を入力としており、制御部１０から出力される切替信号Ｃ２に基づいてこれら受信信号Ｓ１，Ｓ２の何れをＡ／Ｄ変換器１７に出力するかを切り替える。Ａ／Ｄ変換器１７は、受信切替器１６から出力される受信信号Ｓ１，Ｓ２（アナログ信号）に対してサンプリング処理を行って、これら受信信号Ｓ１，Ｓ２を受信信号Ｓ３（ディジタル信号）に変換する。

信号処理部１８は、Ａ／Ｄ変換器１７から出力される受信信号Ｓ３に対し、制御部１０からの制御信号Ｃ３に応じた処理を行って、配管ＴＢ内を流れる流体Ｘの流速や流量を測定し、その測定結果を示す測定信号Ｓ４を出力する。尚、本実施形態では、配管ＴＢ内を流れる流体Ｘの流量の測定結果を示す測定信号Ｓ４が信号処理部１８から出力されるものとする。

図２は、本発明の一実施形態による超音波測定器が備える信号処理部の要部構成を示すブロック図である。図２に示す通り、信号処理部１８は、透過法演算部２１（第１演算部）、反射法演算部２２（第２演算部）、気泡量判定部２３（判定部）、補正係数演算部２４、補正係数記憶部２５（記憶部）、及び補正部２６を備える。尚、図２においては、制御部１０からの制御信号Ｃ３の図示を省略している。

透過法演算部２１は、平均流速演算部２１ａ及び流量演算部２１ｂを備えており、Ａ／Ｄ変換器１７からの受信信号Ｓ３に対し、透過法による測定を行う上で必要となる演算を行って、配管ＴＢ内を流れる流体Ｘの平均流速及び流量を求める。平均流速演算部２１ａは、流体Ｘの流れに沿う向きに超音波信号を送受信した場合に得られる受信信号Ｓ３と、流体Ｘの流れに逆らう向きに超音波信号を送受信した場合に得られる受信信号Ｓ３との相関演算を行い、相関値が最大になる時間差を求めることで配管ＴＢ内を流れる流体Ｘの平均流速を求める。

流量演算部２１ｂは、平均流速演算部２１ａで求められた流体Ｘの平均流速に対し、配管ＴＢの断面積を掛けることによって配管ＴＢ内を流れる流体Ｘの流量（第１流量）を求める。具体的に、平均流速演算部２１ａで求められた流体Ｘの平均流速をＶ１、配管ＴＢの断面積をｒとすると、流量演算部２１ｂは、Ｖ１×πｒ^２なる演算を行って流体Ｘの流量を求める。尚、流体Ｘの流量が求められると、流量演算部２１ｂからは、流体Ｘの流量を示す流量信号Ｓ１１が出力される。

反射法演算部２２は、流量演算部２２ａ及び平均流量演算部２２ｂを備えており、Ａ／Ｄ変換器１７からの受信信号Ｓ３に対し、反射法による測定を行う上で必要となる演算を行って、配管ＴＢ内を流れる流体Ｘの流量及び平均流速に基づく流量を求める。流量演算部２２ａは、所定の時間間隔（例えば、数百μｓｅｃ）をもって超音波信号を流体Ｘに送信した場合に得られる複数の受信信号Ｓ３（超音波信号の反射信号を受信して得られる信号）の相関演算を行って流体Ｘの流速分布を求め、この流速分布を用いて配管ＴＢ内を流れる流体Ｘの流量（第２流量）を求める。平均流量演算部２２ｂは、流量演算部２２ａと同様に流体Ｘの流速分布を求めるが、この流速分布を平均化した平均流速を用いて配管ＴＢ内を流れる流体Ｘの平均流速に基づく流量を求める。

具体的に、流量演算部２２ａ及び平均流量演算部２２ｂは、流体Ｘに対する複数回の超音波信号の送信によって得られる複数の受信信号Ｓ３を時間位置に応じて複数の区分に分割し、区分毎の相関処理を行う。そして、相関が最大となる時間間隔を上記の区分毎に求め、各々の時間間隔から区分毎の流体Ｘの流速を求めることによって配管ＴＢの径方向における流体Ｘの流速分布を求める。

図３は、本発明の一実施形態による超音波測定器で求められる流速分布の一例を示す図である。尚、図３においては、超音波信号の送受信が行われている一方のトランスデューサ（例えば、トランスデューサ１４ａ）からの距離（配管ＴＢの径方向における距離）を横軸にとり、流体Ｘの流速を縦軸にとっている。また、図３中の白丸は、測定を行った各々の距離（測定点）における流速を示している。図３に示す通り、流体Ｘの流速は、配管ＴＢの中心部分において速く、配管ＴＢの内壁に近づくにつれて遅くなる分布である。

流量演算部２２ａは、求めた流体Ｘの流速分布に対し、配管ＴＢの断面積（各測定点近傍での管路ＴＢの断面積）を掛けて積分することによって、配管ＴＢ内を流れる流体Ｘの流量を求める。これに対し、平均流量演算部２２ｂは、求めた流体Ｘの流速分布を平均化して平均流速（図３参照）を求め、この平均流速に対して配管ＴＢの断面積を掛けることによって配管ＴＢ内を流れる流体Ｘの平均流速に基づく流量を求める。具体的に、求められた流体Ｘの平均流速をＶ２、配管ＴＢの半径をｒとすると、平均流量演算部２２ｂは、Ｖ２×πｒ^２なる演算を行って流体Ｘの平均流速に基づく流量を求める。尚、流体Ｘの流量及び平均流速に基づく流量が求められると、流量演算部２２ａからは流体Ｘの流量を示す流量信号Ｓ２１が出力され、平均流量演算部２２ｂからは流体Ｘの平均流速に基づく流量を示す平均流量信号Ｓ２１′が出力される。

気泡量判定部２３は、相関値判定部２３ａ（第１判定部）及び相関値判定部２３ｂ（第２判定部）を備えており、配管ＴＢ内を流れる流体Ｘに含まれる気泡Ｂの量を判定する。相関値判定部２３ａは、透過法演算部２１の平均流速演算部２１ａで得られる相関値が、流体Ｘに含まれる気泡Ｂの量を考慮して設定された閾値（第１閾値）を超えたか否かを判定し、その判定結果を示す判定信号Ｊ１を出力する。

ここで、透過法による測定は、流体Ｘに含まれる気泡Ｂの量が多くなると超音波信号が気泡Ｂに遮られて測定を行うことができなくなる。このため、上記の閾値は、流体Ｘに含まれる気泡Ｂの量が透過法による測定を行うことができる量であるかを基準として設定される。平均流速演算部２１ａで得られる相関値が閾値を超えた場合には、透過法による測定が可能であり、かかる場合には判定信号Ｊ１の値は「１」になる。

相関値判定部２３ｂは、流量演算部２２ａで得られる相関値が、流体Ｘに含まれる気泡Ｂの量を考慮して設定された閾値（第２閾値）を超えたか否かを判定し、その判定結果を示す判定信号Ｊ２を出力する。ここで、反射法による測定は、流体Ｘに含まれる気泡Ｂの量が多くとも測定を行うことができるが、流体Ｘに気泡Ｂが全く含まれていない場合には気泡Ｂからの反射信号が得られなくなるため測定を行うことができなくなる。このため、上記の閾値は、流体Ｘに含まれる気泡Ｂの量が反射法による測定を行うことができる量であるかを基準として設定される。流量演算部２２ａで得られる相関値が閾値を超えた場合には、反射法による測定が可能であり、かかる場合には判定信号Ｊ２の値が「１」になる。

補正係数演算部２４は、補正係数算出部２４ａ（第１算出部）及び流量比較部２４ｂ（第２算出部）を備えており、透過法演算部２１からの流量信号Ｓ１１及び反射法演算部２２からの流量信号Ｓ２１を補正するための補正係数を算出する。これら流量信号Ｓ１１，Ｓ２１を補正するのは、流体Ｘに含まれる気泡Ｂの量によって、透過法による測定のみが可能な状況、或いは反射法による測定のみが可能な状況が生じた場合であっても、高い精度での測定を実現するためである。

補正係数算出部２４ａは、反射法演算部２２からの流量信号Ｓ２１及び平均流量信号Ｓ２１′を元に補正係数Ｋｒ（第１補正係数）を算出する。この補正係数Ｋｒは、透過法による測定及び反射法による測定の双方が可能である場合、或いは透過法による測定のみが可能な状況が生じた場合に、透過法演算部２１から出力される流量信号Ｓ１１を補正するためのものである。具体的に、流量信号Ｓ２１で示される流体Ｘの流量をＦ２１とし、平均流量信号Ｓ２１′で示される流体Ｘの平均流速に基づく流量をＦ２１′とすると、補正係数算出部２４ａは、以下の（１）式に示す演算を行って補正係数Ｋｒを算出する。
Ｋｒ＝Ｆ２１／Ｆ２１′ …（１）

流量比較部２４ｂは、補正部２６からの流量信号Ｓ１２（透過法演算部２１からの流量信号Ｓ１１を補正部２６で補正して得られた信号）と反射法演算部２２からの流量信号Ｓ２１とを比較して補正係数Ｃｒ（第２補正係数）を算出する。この補正係数Ｃｒは、反射法による測定のみが可能な状況が生じた場合に、反射法演算部２２から出力される流量信号Ｓ２１を補正するためのものである。具体的に、流量信号Ｓ１２で示される流体Ｘの流量をＦ１２とし、流量信号Ｓ２１で示される流体Ｘの流量をＦ２１とすると、流量比較部２４ｂは、以下の（２）式に示す演算を行って補正係数Ｃｒを算出する。
Ｃｒ＝Ｆ１２／Ｆ２１ …（２）

図４は、本発明の一実施形態による超音波測定器における補正係数の算出条件を示す図である。図４に示す通り、流体Ｘに含まれる気泡Ｂの量は、気泡量判定部２３から出力される判定信号Ｊ１，Ｊ２によって、「無し〜微少」，「少量」，「大量」，「過大」に分類される。気泡Ｂの量が「無し〜微少」である場合には、透過法による測定のみが可能であり、気泡Ｂの量が「少量」である場合には、透過法による測定及び反射法による測定の双方が可能であり、気泡Ｂの量が「大量」である場合には、反射法による測定のみが可能である。尚、気泡Ｂの量が「過大」である場合には、透過法による測定及び反射法による測定の双方が不可能である。

図４に示す通り、補正係数算出部２４ａは、気泡量判定部２３から出力される判定信号Ｊ２の値が「１」である場合（気泡Ｂの量が「少量」又は「大量」である場合）に補正係数Ｋｒを算出する。また、流量比較部２４ｂは、気泡量判定部２３から出力される判定信号Ｊ１，Ｊ２の値が共に「１」である場合（気泡Ｂの量が「少量」である場合）に補正係数Ｃｒを算出する。

補正係数記憶部２５は、補正係数演算部２４の補正係数算出部２４ａで算出された補正係数Ｋｒ及び流量比較部２４ｂで算出された補正係数Ｃｒを記憶する。ここで、補正係数記憶部２５は、上記の補正係数Ｋｒ，Ｃｒを、透過法演算部２１の平均流速演算部２１ａで求められる平均流速と反射法演算部２２の平均流量演算部２２ｂで求められる平均流速に基づく流量との組み合わせに対応させて記憶する。このような対応付けを行って記憶することにより、広い流速範囲で補正係数Ｋｒ，Ｃｒを利用することが可能になる。

補正部２６は、流量補正部２６ａ，２６ｂ及び流量出力部２６ｃを備えており、補正係数記憶部２５に記憶された補正係数Ｋｒ，Ｋｃを用いて透過法演算部２１からの流量信号Ｓ１１及び反射法演算部２２からの流量信号Ｓ２１を補正し、流体Ｘに含まれる気泡Ｂの量に応じて、補正後の流量信号Ｓ１２，Ｓ２２の何れか一方を出力する。流量補正部２６ａは、補正係数記憶部２５に記憶された補正係数Ｋｒを用いて透過法演算部２１からの流量信号Ｓ１１を補正し、補正して得られた流量信号Ｓ１２を流量出力部２６ｃ及び補正係数演算部２４の流量比較部２４ｂに出力する。流量補正部２６ｂは、補正係数記憶部２５に記憶された補正係数Ｃｒを用いて反射法演算部２２からの流量信号Ｓ２１を補正し、補正して得られた流量信号Ｓ２２を流量出力部２６ｃに出力する。

流量出力部２６ｃは、流量補正部２６ａからの流量信号Ｓ１２と流量補正部２６ｂからの流量信号Ｓ２２とを入力としており、気泡量判定部２３からの判定信号Ｊ１，Ｊ２に応じて、これら流量信号Ｓ１２，Ｓ２２の何れか一方を測定信号Ｓ４として出力する。図５は、本発明の一実施形態による超音波測定器における測定信号の出力条件を示す図である。

図５に示す通り、流量出力部２６ｃは、判定信号Ｊ１の値が「１」である場合（気泡Ｂの量が「少し〜微少」又は「少量」である場合）に流量信号Ｓ１２を測定信号Ｓ４として出力し、判定信号Ｊ１の値が「０」であって判定信号Ｊ２の値が「１」である場合（気泡Ｂの量が「大量」である場合）に流量信号Ｓ２２を測定信号Ｓ４として出力する。尚、判定信号Ｊ１，Ｊ２の値が共に「０」である場合には、エラー信号を出力する。

次に、上記構成における超音波測定器１の動作について説明する。ここで、超音波測定器１の動作（主として、信号処理部１８の動作）は、配管ＴＢを流れる流体Ｘに含まれる気泡Ｂの量に応じて異なる。このため、以下では、気泡Ｂの量が「少量」である場合の動作、気泡Ｂの量が「無し〜微少」である場合の動作、及び気泡Ｂの量が「大量」である場合の動作について順に説明する。

〈気泡Ｂの量が「少量」である場合の動作〉
配管ＴＢ内を流れる流体Ｘに対する測定が開始されると、制御部１０の制御の下で、透過法による測定と反射法による測定とが交互に行われる。尚、気泡Ｂの量が「無し〜微少」である場合であっても、気泡Ｂの量が「大量」である場合であっても、気泡Ｂの量が「少量」である場合と同様に、透過法による測定と反射法による測定とが交互に行われる。

透過法による測定が開始されると、まず流体Ｘの流れに沿う向きに超音波信号を送受信した場合の受信信号Ｓ３を得る処理が行われる。具体的には、制御部１０から切替信号Ｃ１，Ｃ２が出力されて、駆動信号Ｓ０の出力先が送信回路１３ａになるように送信切替器１２の切り替えが行われるとともに、受信回路１５ｂからの受信信号Ｓ２がＡ／Ｄ変換器１７に出力されるように受信切替器１６の切り替えが行われる。その後に、制御部１０から駆動信号生成回路１１にトリガ信号Ｔｒが出力されて駆動信号Ｓ０が生成される。

駆動信号生成回路１１で生成された駆動信号Ｓ０は、送信切替器１２及び送信回路１３ａを介してトランスデューサ１４ａに入力され、これによりトランスデューサ１４ａから流体Ｘに超音波信号が送信される。トランスデューサ１４ａから流体Ｘに送信された超音波信号のうち、流体Ｘを透過してトランスデューサ１４ｂに到達した超音波信号（透過信号）は、トランスデューサ１４ｂで受信され、トランスデューサ１４ｂからは、透過信号に応じた受信信号Ｓ２が出力される。この受信信号Ｓ２は、受信回路１５ｂで増幅された後に受信切替器１６を介してＡ／Ｄ変換器１７に入力されてディジタル信号である受信信号Ｓ３に変換される。この受信信号Ｓ３は信号処理部１８に入力され、透過法演算部２１の平均流速演算部２１ａに記憶される。

次に、流体Ｘの流れに逆らう向きに超音波信号を送受信した場合の受信信号Ｓ３を得る処理が行われる。具体的には、制御部１０から切替信号Ｃ１，Ｃ２が出力されて、駆動信号Ｓ０の出力先が送信回路１３ｂになるように送信切替器１２の切り替えが行われるとともに、受信回路１５ａからの受信信号Ｓ１がＡ／Ｄ変換器１７に出力されるように受信切替器１６の切り替えが行われる。その後に、制御部１０から駆動信号生成回路１１にトリガ信号Ｔｒが出力されて駆動信号Ｓ０が生成される。

駆動信号生成回路１１で生成された駆動信号Ｓ０は、送信切替器１２及び送信回路１３ｂを介してトランスデューサ１４ｂに入力され、これによりトランスデューサ１４ｂから流体Ｘに超音波信号が送信される。トランスデューサ１４ｂから流体Ｘに送信された超音波信号のうち、流体Ｘを透過してトランスデューサ１４ａに到達した超音波信号（透過信号）は、トランスデューサ１４ａで受信され、トランスデューサ１４ａからは、透過信号に応じた受信信号Ｓ１が出力される。この受信信号Ｓ１は、受信回路１５ａで増幅された後に受信切替器１６を介してＡ／Ｄ変換器１７に入力され、ディジタル信号である受信信号Ｓ３に変換される。この受信信号Ｓ３は信号処理部１８に入力され、透過法演算部２１の平均流速演算部２１ａに記憶される。

以上の動作が終了すると、透過法演算部２１の平均流速演算部２１ａにおいて、流体Ｘの流れに沿う向きに超音波信号を送受信した場合に得られた受信信号Ｓ３と、流体Ｘの流れに逆らう向きに超音波信号を送受信した場合に得られた受信信号Ｓ３との相関演算が行われて配管ＴＢ内を流れる流体Ｘの平均流速が求められる。そして、流量演算部２１ｂにおいて、求められた平均流速に対して配管ＴＢの断面積が掛けられて配管ＴＢ内を流れる流体Ｘの流量が求められ、流量演算部２１ｂからは流量信号Ｓ１１が出力される。

尚、平均流速演算部２１ａの相関演算によって得られた相関値は、気泡量判定部２３の相関値判定部２３ａに入力され、流体Ｘに含まれる気泡Ｂの量を考慮して設定された閾値を超えたか否かが判断される。ここでは、気泡Ｂの量が「少量」である場合の動作を考えているため相関値が閾値を超えていると判定され、相関値判定部２３ａからは値が「１」の判定信号Ｊ１が出力される（図４参照）。

反射法による測定が開始されると、まず流体Ｘの流れに沿う向きに超音波信号を送信した場合の反射信号を受信して受信信号Ｓ３を得る処理が行われる。具体的には、制御部１０から切替信号Ｃ１，Ｃ２が出力されて、駆動信号Ｓ０の出力先が送信回路１３ａになるように送信切替器１２の切り替えが行われるとともに、受信回路１５ａからの受信信号Ｓ１がＡ／Ｄ変換器１７に出力されるように受信切替器１６の切り替えが行われる。その後に、制御部１０から駆動信号生成回路１１にトリガ信号Ｔｒが出力されて駆動信号Ｓ０が生成される。

駆動信号生成回路１１で生成された駆動信号Ｓ０は、送信切替器１２及び送信回路１３ａを介してトランスデューサ１４ａに入力され、これによりトランスデューサ１４ａから流体Ｘに超音波信号が送信される。トランスデューサ１４ａから流体Ｘに送信された超音波信号のうち、流体Ｘに含まれる気泡Ｂによって反射された超音波信号（反射信号）は、トランスデューサ１４ａで受信され、トランスデューサ１４ａからは、反射信号に応じた受信信号Ｓ１が出力される。この受信信号Ｓ１は、受信回路１５ａで増幅された後に受信切替器１６を介してＡ／Ｄ変換器１７に入力されてディジタル信号である受信信号Ｓ３に変換される。この受信信号Ｓ３は信号処理部１８に入力され、反射法演算部２１の流量演算部２２ａ及び平均流量演算部２２ｂにそれぞれ記憶される。

次に、流体Ｘの流れに逆らう向きに超音波信号を送信した場合の反射信号を受信して受信信号Ｓ３を得る処理が行われる。具体的には、制御部１０から切替信号Ｃ１，Ｃ２が出力されて、駆動信号Ｓ０の出力先が送信回路１３ｂになるように送信切替器１２の切り替えが行われるとともに、受信回路１５ｂからの受信信号Ｓ２がＡ／Ｄ変換器１７に出力されるように受信切替器１６の切り替えが行われる。その後に、制御部１０から駆動信号生成回路１１にトリガ信号Ｔｒが出力されて駆動信号Ｓ０が生成される。

駆動信号生成回路１１で生成された駆動信号Ｓ０は、送信切替器１２及び送信回路１３ｂを介してトランスデューサ１４ｂに入力され、これによりトランスデューサ１４ｂから流体Ｘに超音波信号が送信される。トランスデューサ１４ｂから流体Ｘに送信された超音波信号のうち、流体Ｘに含まれる気泡Ｂによって反射された超音波信号（反射信号）は、トランスデューサ１４ｂで受信され、トランスデューサ１４ｂからは、透過信号に応じた受信信号Ｓ２が出力される。この受信信号Ｓ２は、受信回路１５ｂで増幅された後に受信切替器１６を介してＡ／Ｄ変換器１７に入力され、ディジタル信号である受信信号Ｓ３に変換される。この受信信号Ｓ３は信号処理部１８に入力され、反射法演算部２１の流量演算部２２ａ及び平均流量演算部２２ｂにそれぞれ記憶される。

以上の動作が予め規定された回数行われると、流量演算部２２ａ及び平均流量演算部２２ｂの各々において、記憶された複数の受信信号Ｓ３が時間位置に応じて複数の区分に分割され、分割された区分毎に相関処理が行われて、配管ＴＢの径方向における流体Ｘの流速分布が求められる。そして、流量演算部２２ａでは、流体Ｘの流速分布と配管ＴＢの断面積（各測定点近傍での管路ＴＢの断面積）とが乗算されて積分されることにより、配管ＴＢ内を流れる流体Ｘの流量が求められ、流量演算部２２ａからは流量信号Ｓ２１が出力される。また、平均流量演算部２２ｂでは、流体Ｘの流速分布の平均流速が求められ、平均流速に対して配管ＴＢの断面積が掛けられて配管ＴＢ内を流れる流体Ｘの平均流速に基づく流量が求められ、平均流量演算部２２ｂからは平均流量信号Ｓ２１′が出力される。

尚、流量演算部２２ａの相関演算によって得られた相関値は、気泡量判定部２３の相関値判定部２３ｂに入力され、流体Ｘに含まれる気泡Ｂの量を考慮して設定された閾値を超えたか否かが判断される。ここでは、気泡Ｂの量が「少量」である場合の動作を考えているため相関値が閾値を超えていると判定され、相関値判定部２３ｂからは値が「１」の判定信号Ｊ２が出力される（図４参照）。

透過法演算部２１から出力された流量信号Ｓ１１は、補正部２６の流量補正部２６ａに入力される。また、反射法演算部２２から出力された流量信号Ｓ２１は、補正係数演算部２４の補正係数算出部２４ａ及び流量比較部２４ｂ並びに補正部２６の流量補正部２６ｂに入力され、平均流量信号Ｓ２１′は、補正係数演算部２４の流量比較部２４ｂに入力される。

反射法演算部２２からの流量信号Ｓ２１及び平均流量信号Ｓ２１′が補正係数算出部２４ａに入力されると、前述した（１）式を用いて補正係数Ｋｒが算出されて補正係数記憶部２５に記憶される（図４参照）。この補正係数Ｋｒは直ちに流量補正部２６ａに読み出されて、透過法演算部２１からの流量信号Ｓ１１の補正に用いられる。流量信号Ｓ１１を補正係数Ｋｒで補正して得られた流量信号Ｓ１２は、流量出力部２６ｃに出力される。

また、流量補正部２６ａからの流量信号Ｓ１２は、補正係数演算部２４の流量比較部２４ｂに出力される。この流量信号Ｓ１２及び反射法演算部２２からの流量信号Ｓ２１が流量比較部２４ｂに入力されると、前述した（２）式を用いて補正係数Ｃｒが算出されて補正係数記憶部２５に記憶される（図４参照）。この記憶係数Ｃｒは流量補正部２６ｂに読み出されて、反射法演算部２２からの流量信号Ｓ２１の補正に用いられる。流量信号Ｓ２１を補正係数Ｃｒで補正して得られた流量信号Ｓ２２は、流量出力部２６ｃに出力される。

以上により、流量出力部２６ｃには、流量補正部２６ａからの流量信号Ｓ１２と、流量補正部２６ｂからの流量信号Ｓ２２とが入力される。ここで、図５に示す通り、気泡Ｂの量が「少量」である場合には、気泡量判定部２３からは値が「１」の判定信号Ｊ１，Ｊ２が出力されるため、流量出力部２６ｃは、流量補正部２６ａからの流量信号Ｓ１２（透過法演算部２１で求められた流量信号Ｓ１１を補正係数Ｋｒで補正した信号）を測定信号Ｓ４として出力する。

〈気泡Ｂの量が「無し〜微少」である場合の動作〉
前述した気泡Ｂの量が「少量」である場合と同様に、透過法による測定と反射法による測定とが交互に行われ、信号処理部１８に設けられた透過法演算部２１から補正部２６の流量補正部２６ａに対して流量信号Ｓ１１が出力されるとともに、反射法演算部２２から補正部２６の流量補正部２６ｂに対して流量信号Ｓ２１が出力される。尚、反射法演算部２２からの流量信号Ｓ２１は、補正係数演算部２４の補正係数算出部２４ａ及び流量比較部２４ｂにも入力され、平均流量信号Ｓ２１′は、補正係数演算部２４の流量比較部２４ｂに入力される。

また、ここでは、気泡Ｂの量が「無し〜微少」である場合の動作を考えているため、気泡量判定部２３の相関値判定部２３ａでは相関値が閾値を超えていると判定され、相関値判定部２３ｂでは相関値が閾値を超えていないと判定される。このため、図４に示す通り、気泡量判定部２３からは、値が「１」の判定信号Ｊ１と値が「０」の判定信号Ｊ２とが出力される。

判定信号Ｊ１の値が「１」であって、判定信号Ｊ２の値が「０」である場合には、補正係数演算部２４の補正係数算出部２４ａ及び流量比較部２４ｂにおける補正係数Ｋｒ，Ｃｒの算出は行われない（図４参照）。このため、補正係数記憶部２５に記憶されている補正係数Ｋｒが流量補正部２６ａに読み出されて、透過法演算部２１からの流量信号Ｓ１１の補正に用いられる。

流量補正部２６ａにおいて流量信号Ｓ１１を補正係数Ｋｒで補正して得られた流量信号Ｓ１２は流量出力部２６ｃに出力される。そして、判定信号Ｊ１の値が「１」であって、判定信号Ｊ２の値が「０」である場合には、図５に示す通り、流量補正部２６ａからの流量信号Ｓ１２（透過法演算部２１で求められた流量信号Ｓ１１を補正係数Ｋｒで補正した信号）が測定信号Ｓ４として出力される。

〈気泡Ｂの量が「大量」である場合の動作〉
前述した気泡Ｂの量が「少量」或いは「無し〜微少」である場合と同様に、透過法による測定と反射法による測定とが交互に行われ、信号処理部１８に設けられた透過法演算部２１から補正部２６の流量補正部２６ａに対して流量信号Ｓ１１が出力されるとともに、反射法演算部２２から補正部２６の流量補正部２６ｂに対して流量信号Ｓ２１が出力される。尚、反射法演算部２２からの流量信号Ｓ２１は、補正係数演算部２４の補正係数算出部２４ａ及び流量比較部２４ｂにも入力され、平均流量信号Ｓ２１′は、補正係数演算部２４の流量比較部２４ｂに入力される。

また、ここでは、気泡Ｂの量が「大量」である場合の動作を考えているため、気泡量判定部２３の相関値判定部２３ａでは相関値が閾値を超えていないと判定され、相関値判定部２３ｂでは相関値が閾値を超えている判定される。このため、図４に示す通り、気泡量判定部２３からは、値が「０」の判定信号Ｊ１と値が「１」の判定信号Ｊ２とが出力される。

判定信号Ｊ１の値が「０」であって、判定信号Ｊ２の値が「１」である場合には、補正係数演算部２４の補正係数算出部２４ａにおいて補正係数Ｋｒが算出されて補正係数記憶部２５に記憶される。尚、流量比較部２４ｂにおける補正係数Ｃｒの算出は行われない（図４参照）。そして、補正係数記憶部２５に記憶されている補正係数Ｃｒが流量補正部２６ｂに読み出されて、透過法演算部２１からの流量信号Ｓ２１の補正に用いられる。

流量補正部２６ｂにおいて流量信号Ｓ２１を補正係数Ｃｒで補正して得られた流量信号Ｓ２２は流量出力部２６ｃに出力される。そして、判定信号Ｊ１の値が「０」であって、判定信号Ｊ２の値が「１」である場合には、図５に示す通り、流量補正部２６ｂからの流量信号Ｓ２２（反射法演算部２２で求められた流量信号Ｓ２１を補正係数Ｃｒで補正した信号）が測定信号Ｓ４として出力される。

以上の通り、本実施形態では、流体Ｘの流量を透過法及び反射法を用いてそれぞれ求め、透過法を用いて求めた流量を補正係数Ｋｒによって補正した流量と、反射法を用いて求めた流量を補正係数Ｃｒによって補正した流量との少なくとも一方を、流体Ｘに含まれる気泡Ｂの量に応じて出力している。このため、流体Ｘに含まれる気泡Ｂの量に拘わらず高い精度で流量を測定することができる。例えば、反射法のみによって測定を行う場合に、超音波の発振状態、配管との共鳴、配管壁付近の残響等があったとしても、補正係数Ｃｒを用いた補正を行うことによって、高い精度で流量を測定することができる。

以上、本発明の一実施形態による超音波測定器１について説明したが、本発明は上述した実施形態に制限されることなく、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上述した実施形態では、説明を簡単にするために、超音波測定器１の動作開始時における流体Ｘに含まれる気泡Ｂの量が「少量」である場合を例に挙げて説明した。しかしながら、超音波測定器１の動作開始時おける気泡Ｂの量が「少量」或いは「無し〜微少」である場合であっても精度の良い測定を可能にすべく、予め規定した固定値を補正係数Ｋｒ，Ｃｒの初期値として補正係数記憶部２５に記憶しておいても良い。

また、上述した実施形態では、透過法演算部２１で求められた流量（正確には、補正部２６の流量補正部２６ａで補正された流量）と反射法演算部２２で求められた流量とを比較して補正係数Ｃｒを算出する例について説明した。しかしながら、透過法演算部２１で求められた平均流速と反射法演算部２２で求められた平均流速とを比較して補正係数Ｃｒを求めるようにしても良い。

また、上記実施形態では、気泡量判定部２３が、透過法演算部２１で求められる相関値と反射法演算部２２で求められる相関値とを用いて気泡量の判定を行う場合を例に挙げて説明した。しかしながら、気泡量判定部２３は、相関値を用いずに受信信号Ｓ３の振幅に基づいて気泡量を判定するものであっても良い。

１ 超音波測定器
２１ 透過法演算部
２２ 反射法演算部
２３ 気泡量判定部
２３ａ，２３ｂ 相関値判定部
２４ａ 補正係数算出部
２４ｂ 流量比較部
２５ 補正係数記憶部
２６ 補正部
Ｃｒ 補正係数
Ｋｒ 補正係数
Ｘ 流体

Claims (6)

1. 流体に対して超音波信号を送信するとともに、前記流体から得られる前記超音波信号の透過信号或いは反射信号を受信して前記流体の流量を測定する超音波測定器において、
   前記透過信号を受信して得られる第１受信信号に対する演算を行って前記流体の流量を示す第１流量を求める第１演算部と、
   前記反射信号を受信して得られる第２受信信号の相関演算を行って前記流体の流量を示す第２流量を求める第２演算部と、
   前記第１流量の補正に用いられる第１補正係数及び前記第２流量の補正に用いられる第２補正係数を記憶する記憶部と、
   前記流体に含まれる気泡の量に応じて、前記記憶部に記憶された前記第１補正係数を用いて補正した前記第１流量と前記第２補正係数を用いて補正した前記第２流量との何れか一方を出力する補正部と
   を備えることを特徴とする超音波測定器。
2. 前記第１演算部で得られる第１相関値と前記第２演算部で得られる第２相関値とを用いて前記流体に含まれる気泡の量を判定する判定部を備えることを特徴とする請求項１記載の超音波測定器。
3. 前記判定部は、前記第１相関値が前記流体に含まれる気泡の量を考慮して設定された第１閾値を超えたか否かを判定する第１判定部と、
   前記第２相関値が前記流体に含まれる気泡の量を考慮して設定された第２閾値を超えたか否かを判定する第２判定部と
   を備えることを特徴とする請求項２記載の超音波測定器。
4. 前記補正部は、前記第１相関値が前記第１閾値を超えたと前記第１判定部で判定された場合に、前記第１補正係数を用いて補正した前記第１流量を出力し、
   前記第１相関値が前記第１閾値を超えていないと前記第１判定部で判定され、且つ前記第２相関値が前記第２閾値を超えたと前記第２判定部で判定された場合に、前記第２補正係数を用いて補正した前記第２流量を出力する
   ことを特徴とする請求項３記載の超音波測定器。
5. 前記第２相関値が前記第２閾値を超えたと前記第２判定部で判定された場合に、前記第１補正係数を算出する第１算出部と、
   前記第１，第２相関値が前記第１，第２閾値を超えたと前記第１，第２判定部でそれぞれ判定された場合に、前記第２補正係数を算出する第２算出部と
   を備えることを特徴とする請求項３又は請求項４記載の超音波測定器。
6. 前記第１補正係数は、前記第２受信信号から求められた前記流体の流量と平均流速に基づく流量との比を示す係数であり、
   前記第２補正係数は、前記第１補正係数を用いて補正された前記第１流量と前記第２受信信号から求められた前記流体の流量との比を示す係数である
   ことを特徴とする請求項１から請求項５の何れか一項に記載の超音波測定器。

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