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WO2007083713A1 - ドップラ式超音波流量計、流量測定方法およびコンピュータプログラム - Google Patents

ドップラ式超音波流量計、流量測定方法およびコンピュータプログラム Download PDF

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WO2007083713A1
WO2007083713A1 PCT/JP2007/050720 JP2007050720W WO2007083713A1 WO 2007083713 A1 WO2007083713 A1 WO 2007083713A1 JP 2007050720 W JP2007050720 W JP 2007050720W WO 2007083713 A1 WO2007083713 A1 WO 2007083713A1
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WO
WIPO (PCT)
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flow velocity
ultrasonic
velocity distribution
measurement
repetition frequency
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP2007/050720
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English (en)
French (fr)
Inventor
Michitsugu Mori
Kenichi Tezuka
Takeshi Suzuki
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tokyo Electric Power Co Holdings Inc
Original Assignee
Tokyo Electric Power Co Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tokyo Electric Power Co Inc filed Critical Tokyo Electric Power Co Inc
Priority to US12/161,422 priority Critical patent/US20100218618A1/en
Priority to JP2007554954A priority patent/JP5012513B2/ja
Publication of WO2007083713A1 publication Critical patent/WO2007083713A1/ja
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G01F1/663—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters by measuring Doppler frequency shift

Definitions

  • the present invention relates to an ultrasonic flowmeter capable of instantaneously measuring a flow rate of a fluid to be measured from a flow velocity distribution in a measurement region in a time-dependent manner and a technique related thereto.
  • an ultrasonic transmission means for causing an ultrasonic pulse having a required frequency f0 to enter an ultrasonic transducer force into a fluid to be measured at a predetermined repetition frequency (fPRF) and an ultrasonic pulse to be measured among the ultrasonic pulses incident on the fluid to be measured. Integrates based on the fluid velocity distribution measuring means that receives the ultrasonic echo reflected by the bubbles in the fluid and measures the flow velocity distribution of the fluid to be measured in the measurement region, and the flow velocity distribution of the fluid to be measured. And a flow rate calculation means for performing calculation. Then, the flow rate calculation means measures the flow rate based on the flow velocity distribution of the fluid to be measured in the measurement region.
  • fPRF predetermined repetition frequency
  • This Doppler type ultrasonic flowmeter measures the flow velocity distribution of the fluid to be measured flowing in the pipe, and is excellent in the responsiveness of the flow rate at the time of transient fluctuation.
  • the location and flow become three-dimensional, such as immediately after a bent pipe such as an elbow pipe or a U-shaped inverted pipe. Fluid flow rate can be measured efficiently and instantaneously.
  • ⁇ flow rate correction coefficient '' calculated from experimental values and experience values. It is highly appreciated.
  • Patent Document 1 JP 2000-97742 A
  • an ultrasonic oscillation device emission
  • a device receiver
  • receives the reflected wave of the ultrasonic wave are combined into one ultrasonic transmission / reception device (transducer).
  • transmission / reception device transducer
  • each must be mounted with strict positioning on the fluid piping.
  • the ultrasonic flowmeter provided as a receiver has the advantage that it only needs to be attached to the fluid piping once.
  • Patent Document 1 sets the transmission frequency and the transmission interval (repetition frequency) of ultrasonic waves according to the size of the pipe and the large speed of the fluid to be measured. There is a need.
  • the repetition frequency has the following restrictions and conditions.
  • V0 is the flow velocity of the fluid to be measured
  • CO is the speed of sound in the fluid
  • ⁇ is the incident angle. If it is transmitted at a lower repetition frequency than this frequency, the flow velocity distribution cannot be measured by aliasing.
  • the second bottom echo is an echo where the ultrasonic wave reflected from the pipe inner wall of the bottom face is reflected by the pipe inner wall of the ultrasonic incident part and is reflected again by the pipe inner wall of the bottom face to reach the transducer.
  • a noise region is generated in the flow velocity distribution due to the pulse following the incident pulse.
  • the repetition interval may be made longer than the time it takes for the first bottom surface echo to reach the transducer.
  • the repetition frequency fPRF is reduced, if there is a moment when the flow velocity increases due to instantaneous flow velocity fluctuation, fPRF is too low and aliasing may occur.
  • the problem to be solved by the present invention is such as a second bottom surface echo that does not cause aliasing in the flow velocity measurement of fluid flowing through a large-diameter pipe using a Doppler type ultrasonic flowmeter.
  • the purpose is to provide technology that enables accurate measurement without being affected by noise caused by multiple echoes.
  • An object of the invention described in claim 1 and claim 2 is to provide a Doppler type ultrasonic flowmeter capable of performing such an accurate measurement.
  • the object of the invention described in claim 3 and claim 4 is a measurement capable of such an accurate measurement mainly by measuring the flow velocity of a fluid flowing through a large-diameter pipe with a Doppler type ultrasonic flowmeter. It is to provide a method.
  • the object of the invention described in claim 5 and claim 6 is a measurement program capable of performing such an accurate measurement mainly by measuring the flow velocity of a fluid flowing through a large-diameter pipe using a Doppler type ultrasonic flowmeter. Is to provide. Means for solving the problem
  • an ultrasonic wave having an oscillation frequency (f0) is incident on the fluid to be measured in the fluid pipe along the measurement line at the ultrasonic transducer force repetition frequency (fPRF)
  • the ultrasonic transmission means incident at ⁇ ) and the ultrasonic wave reflected from the measurement area force of the ultrasonic pulse incident on the fluid to be measured are received and the flow velocity distribution of the fluid to be measured in the measurement area is measured.
  • a fluid velocity distribution measuring means for calculating a flow rate of the fluid under measurement in the measurement region based on a flow velocity distribution of the fluid under measurement.
  • the present invention relates to a Doppler type ultrasonic flowmeter including a step.
  • the ultrasonic transmission means transmits ultrasonic pulses at a repetition frequency of 2 or more
  • the fluid velocity distribution measuring means specifies the noise superposition region by multiple echoes corresponding to one repetition frequency by measuring the echo force flow velocity distribution for each repetition frequency
  • the flow rate calculating means corrects the flow velocity data in the noise overlap region at the one repetition frequency with the flow velocity data corresponding to the noise overlap region in the flow velocity distribution at another one repetition frequency. To do.
  • the present invention measures V, the flow velocity distribution of the fluid flowing through the so-called “large-diameter pipe” or the flow rate by the flow velocity distribution.
  • Large-diameter piping here is effective when used for piping with a diameter of 1 meter or more.
  • the invention described in claim 2 limits the invention described in claim 1, and relates to a Doppler type ultrasonic flowmeter characterized in that the multiple echo is a second bottom echo.
  • the ultrasonic echo reflected from the measurement area is received from the ultrasonic pulses incident on the fluid to be measured, and the flow velocity distribution of the fluid to be measured in the measurement area is measured, and the flow velocity of the fluid to be measured is measured.
  • the present invention relates to a flow rate measurement method using a Doppler type ultrasonic flowmeter that calculates the flow rate of the fluid to be measured in the measurement region based on the distribution.
  • a first flow velocity distribution is measured from a first ultrasonic transmission procedure for transmitting a first ultrasonic pulse at a first repetition frequency and an ultrasonic echo corresponding to the first ultrasonic pulse.
  • the first noise superimposition region in the first flow velocity distribution using the second flow velocity distribution measurement procedure for measuring the second flow velocity distribution from the acoustic echo and the flow velocity data corresponding to the first noise superimposition region in the second flow velocity distribution. And a data correction procedure for correcting the flow velocity data.
  • the invention described in claim 4 limits the invention described in claim 3, and the multiple echo is a second bottom echo.
  • an ultrasonic pulse having an oscillation frequency (f0) is applied to the measured fluid in the fluid pipe along the measurement line at an ultrasonic transducer force repetition frequency (fPRF) at an incident angle ( ⁇ ).
  • the ultrasonic wave reflected from the measurement area force of the ultrasonic pulse incident on the measured fluid is received, the flow velocity distribution of the measured fluid in the measurement area is measured, and the flow velocity distribution of the measured fluid is
  • the present invention relates to a flow measurement program used for a control device in a Doppler type ultrasonic flowmeter that calculates a flow rate of a fluid to be measured in the measurement region.
  • the program includes a first ultrasonic transmission procedure for transmitting a first ultrasonic pulse at a first repetition frequency, and a first flow velocity for measuring a first flow velocity distribution from an ultrasonic echo corresponding to the first ultrasonic pulse.
  • the data correction procedure for correction is executed by a computer for controlling the Doppler type ultrasonic flowmeter.
  • the invention described in claim 6 limits the invention described in claim 5, and relates to a flow measurement program characterized in that the multiple echo is a second bottom echo.
  • the computer program according to claim 5 or claim 6 may be provided by being stored in a recording medium.
  • the “recording medium” is a medium that can store a program that cannot occupy space by itself, such as a flexible disk, hard disk, CD-R, MO (magneto-optical disk), DVD, etc. — R and so on.
  • the computer program according to claim 5 can be installed in a control computer for the Doppler type ultrasonic flowmeter to provide the Doppler type ultrasonic flowmeter according to Claim 1.
  • the computer program according to claim 5 and claim 6 may include a meter input procedure.
  • the parameter input procedure may include only the repetition frequency (fPRF), which is a parameter arbitrarily determined in the present invention, but preferably includes a parameter determined by the measurement condition force.
  • fPRF repetition frequency
  • “Parameters that also determine the measurement condition force” are the pipe diameter (D), the large flow velocity of the fluid to be measured, the velocity of sound in the fluid to be measured (CO), and the incident angle ( ⁇ ) of the ultrasonic wave.
  • a flow rate mainly measured by a Doppler type ultrasonic flowmeter of fluid flowing through a large-diameter pipe is not so low in terms of aliasing, and a repetition frequency cannot be selected. Even in this case, we were able to provide technology that can eliminate the effects of noise caused by multiple echoes and perform accurate measurements.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a Doppler type ultrasonic flow meter according to the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining parameters of a Doppler type ultrasonic flowmeter.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating the principle of noise generation by the second bottom echo.
  • FIG. 4 In (A) and (B), the part where noise exists and the part to be interpolated are shown, and in (C), the flow velocity distribution after interpolation is shown.
  • FIG. 5 shows an example of a flowchart of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram showing a concept of a second bottom echo.
  • FIG. 1 shows a configuration of a Doppler type ultrasonic flowmeter according to the present invention, which includes a transducer as an ultrasonic transmission means, a fluid velocity distribution measurement means, and a flow rate calculation means.
  • the general oscillation frequency (f0) is a fixed value (typically 1 MHz).
  • the pipe inner diameter (D) of the fluid piping can be known, and the ultrasonic velocity (CO) in the fluid to be measured can be calculated.
  • kind power can be known. Therefore, the only values to be adjusted are the incident angle ( ⁇ ) and repetition frequency (fPRF) of the ultrasonic pulse.
  • the incident angle ( ⁇ ) is determined by selecting from several types of wedges prepared in advance. That is, a wedge is employed as a jig for fixing the ultrasonic transducer to the surface of the pipe through which the fluid to be measured flows. This wedge is angled in advance, and this angle becomes the incident angle ( ⁇ ) of the ultrasonic pulse.
  • the only variable that can be easily changed is the repetition frequency (fPRF).
  • the transmission interval is TO, the interval until the first bottom echo determined by the pipe radial force is received is Tl, and the desired transmission interval is ⁇ 2.
  • the temporarily set repetition frequency is fPRF, the diameter of the pipe through which the fluid to be measured flows is D, the velocity of sound in the fluid to be measured is C0, the incident angle of the ultrasonic wave used for measurement is ⁇ , and the center of the pipe in the ultrasonic path in the pipe is R0, Doppler signal ⁇ f.
  • the first bottom echo is the time to reciprocate the pipe
  • T2 is defined as T1 and TO
  • T2 2 X T1 -T0
  • the repetition frequency fPRF is 500 (Hz)! /
  • T2 is 1.78 (ms)
  • the second bottom echo is near the inner wall of the pipe. (94% from the pipe wall) is superimposed on the center.
  • the transmission interval TO in Fig. 4 is 2. 857 (ms)
  • the sound speed in water is 140. O (mZs).
  • the flow velocity data of the distance force 08-768 (mm) from the pipe inner wall in the flow velocity distribution with a repetition frequency fPRF of 350 Hz is replaced with the flow velocity distribution data with a repetition frequency fPRF of 500 Hz.
  • the flow velocity distribution with the noise area removed can be obtained as shown in Fig. 4 (C).
  • Similar data can be obtained by replacing the data of the part with the repetition frequency f PRF of 350 Hz with the repetition frequency f PRF of 350 Hz in the flow velocity distribution with the repetition frequency f PRF of 500 Hz. It is possible to obtain a flow velocity distribution excluding the region.
  • the present embodiment is directed to the noise region due to the second bottom surface echo
  • the scope of the present invention is not limited to this, and is widely applied to the correction of the noise region having a correlation with the repetition frequency (fPRF). be able to.
  • An ultrasonic pulse is transmitted with the given parameters (S2), and the flow velocity distribution is measured (S3).
  • T2 is calculated to identify the position where the second bottom echo is superimposed (S4), and it is determined whether noise due to the second bottom echo is superimposed on the flow velocity distribution (S5).
  • the region is specified (S6).
  • Noise due to the second bottom echo affects a certain range centered on T2, and the magnitude of the noise varies almost depending on the measurement environment. Can handle the effects of.
  • the measurement is performed again, but only the repetition frequency is changed for the first parameter force (S7). In that case, at least the first noise superimposition area and the second noise superposition area should not overlap. Also, T2 is set to be different for more than 30% of the piping.
  • the low-frequency limit (S8) that does not cause aliasing and the ability to satisfy the high-frequency limit (S9) without echo confusion for each pulse are determined. If it is not satisfied, do not perform the second measurement.
  • the flow rate is calculated from the result of the flow velocity distribution measurement 1 (S12B).
  • the present invention is a technique mainly used when measuring a fluid flow rate of a large diameter and a high flow rate. For example, it can be used to measure the flow rate of piping in a hydropower plant.

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Abstract

　大口径配管における流量測定に際して、エリアジングを生じさせることなく、正確な測定を行える技術を提供する。 　第一の繰り返し周波数およびその第一の繰り返し周波数とは異なる周波数である第二の繰り返し周波数にて超音波パルスを発信し、流体速度分布測定手段は、第一の繰り返し周波数に対する第一の流速分布および第二の繰り返し周波数に対する第二の流速分布を計測する。流量演算手段は、第一の繰り返し周波数にて発生する第一のノイズ重畳領域または第二の繰り返し周波数にて発生する第二のノイズ重畳領域を特定するとともに、第一の流速分布からノイズ重畳領域を取り除いて第二の流速分布で補間し、または第二の流速分布から第二のノイズ重畳領域を取り除いて第一の流速分布にて補間し、流速分布を演算する。

Description

明 細 書
ドッブラ式超音波流量計、流量測定方法およびコンピュータプログラム 技術分野
[0001] 本発明は、測定領域の流速分布から被測定流体の流量を時間依存で瞬時に測定 することが可能な超音波流量計およびそれに関連する技術に関する。
背景技術
[0002] 先行する技術として特許文献 1に開示されている特開 2000— 97742号では、非定 常状態の流れであっても時間依存で正確に精度高く非接触で測定可能なドッブラ式 超音波流量計が開示されている。ここで開示されるドッブラ式超音波流量計は、以下 のような構成をなす。
すなわち、所要周波数 f0の超音波パルスを所定の繰り返し周波数 (fPRF)で超音 波トランスデューサ力 被測定流体中に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被測定流体中の気泡などに反射された超音波ェコ 一を受信し、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、上記被測定流体の流速分布に基づいて、積分演算を行う流量演算手段と を備えたものである。そして、流量演算手段は測定領域における被測定流体の流速 分布に基づ ヽて流量を計測する。
[0003] このドッブラ式超音波流量計は、配管内を流れる被測定流体の流速分布を測定し 、時間的に変動する過渡時の流量の応答性に優れている。また、流体の流れが充分 に発達して 、な 、箇所や流れが三次元になって 、る場所、例えばエルボ配管や U 字状の反転配管のように曲げられた配管の直後でも、被測定流体の流量を効率的に 精度よく瞬時に測定できる。それ以前に提供されていた超音波流量計と比較した場 合、実験値や経験値などから割り出された「流量補正係数」がなくても正確な測定が 可能であると 、う特徴があり、大きく評価されて 、る。
特許文献 1：特開 2000— 97742号公報
[0004] 最近の超音波流量計では、超音波の発振装置 (ェミッション)とその超音波の反射 波を受信する装置 (レシーバ)とを一つの超音波発信受信装置 (トランスデューサ）と して提供することが多 、。超音波の発振装置とその超音波の反射波を受信する装置 とを別々に用意した超音波流量計では、それぞれを流体配管へ厳格な位置決めをし て取り付けなければならな 、が、超音波発信受信装置として提供された超音波流量 計では流体配管への取り付け作業が一度で済むなどの利点がある。
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0005] ところで、前述の特許文献 1に開示された技術は、配管の大きさ、被測定流体の大 ま力な速度に応じて、発信周波数、超音波の発信間隔 (繰り返し周波数)を設定する 必要がある。
繰り返し周波数については、以下のような制限や条件がある。
[0006] 第一に、ナイキストのサンプリング定理から定められる周波数よりも高い周波数でパ ルスを繰り返す必要があることである。
fPRF>4f0 -V0 - sin Θ /CO (式 1)
ここで、図 2に示すように、 V0は被測定流体の流速、 COは流体中の音速、 Θは入 射角度である。この周波数よりも、低い繰り返し周波数で発信すると、エリアジングに より流速分布の測定ができな 、。
[0007] 第二に、入射部の反対側の配管壁で反射した超音波がトランスデューサまで到達 する時間よりも短い間隔で超音波を発信すると、異なる入射波に対する反射波が錯 綜 (エコー錯綜)する。このため、配管内の流速分布を計測するには、超音波の発信 間隔を、配管から反射される第一エコーが到達するまでにかかる時間よりも短くする ことはできない、言い換えると、繰り返し周波数 fPRFをこれ以上に高くすることはでき ないことになる。
[0008] 第一の理由からは流速が速くなるほど fPRFを高くする必要が生じ、第二の理由から 配管が大きくなるほど fPRFを低くする必要が生じる。このため、大径の配管において 流速が大きいながれの流量を測定するのは条件が厳しくなる。
[0009] さて、実際には、異なる入射波に対するエコーは、入射波が配管壁へ到達するより 繰り返し間隔を長くしても重畳することがある。これは、配管内の多重エコーに起因し ている。この中で、特にその影響が大きいものは、図 6に示すような第二底面エコー である。第二底面エコーは、底面の配管内壁で反射した超音波が、更に超音波入射 部分の配管内壁で反射し、底面の配管内壁で再度反射してトランスデューサに到達 するェコ一であり、該当する入射パルスの次のパルスによる流速分布にノイズ領域を 生じさせる。
[0010] 第二底面エコーの影響を避けるためには、第一底面エコーがトランスデューサへ到 達するまでに力かる時間よりも、繰り返しの間隔を長くすれば良い。しかし、繰り返し 周波数 fPRFを小さくした場合、瞬時の流速変動によって流速が速くなつた瞬間があ ると、 fPRFが低すぎることとなってエリアジングが発生してしまうことがある。
[0011] 本発明が解決しょうとする課題は、主に大口径の配管を流れる流体のドッブラ式超 音波流量計による流速測定において、エリアジングを生じさせることなぐ第二底面ェ コ一のような多重エコーによるノイズの影響を受けずに、正確な測定を行える技術を 提供することにある。
[0012] 請求項 1及び請求項 2に記載の発明の目的は、このような正確な測定を行えるドッ ブラ式超音波流量計を提供することにある。
請求項 3及び請求項 4に記載の発明の目的は、主に大口径の配管を流れる流体の ドッブラ式超音波流量計による流速測定にぉ 、て、このような正確な測定が可能な測 定方法を提供することにある。
請求項 5及び請求項 6に記載の発明の目的は、主に大口径の配管を流れる流体の ドッブラ式超音波流量計による流速測定にぉ 、て、このような正確な測定を行える測 定プログラムを提供することにある。 課題を解決するための手段
[0013] (請求項 1)
請求項 1に記載した発明は、発振周波数 (f0)の超音波パルスを超音波トランスデュ ーサ力 繰り返し周波数 (fPRF)で測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入 射角度（ Θ )にて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力 反射された超音波エコーを受信して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 段とを備えたドッブラ式超音波流量計に係る。
すなわち、前記の超音波送信手段は、 2以上の繰り返し周波数で超音波パルスを 送信し、
前記流体速度分布測定手段は、各々の繰り返し周波数ごとのエコー力 流速分布を 測定することによって、一の繰り返し周波数に対応する多重エコーによるノイズ重畳 領域を特定するとともに、
前記流量演算手段は、他の一の繰り返し周波数の流速分布における当該ノイズ重 畳領域に該当する流速データによって、前記一の繰り返し周波数におけるノイズ重 畳領域の流速データを補正することとしたを特徴とする。
[0014] (用語説明）
本願発明は、 V、わゆる「大口径配管」を流れる流体の流速分布またはその流速分 布による流量を計測するものである。ここで「大口径配管」とは、直径が 1メートル以上 の配管に用いる場合に効果的である。
ただし、大口径の配管に該当しなくても、被測定流体の速度が速い場合においても 有効な技術である。
[0015] (請求項 2)
請求項 2に記載した発明は、請求項 1に記載した発明を限定したものであり、 前記多重エコーは、第二底面エコーとすることを特徴とするドッブラ式超音波流量計 に係る。
[0016] (請求項 3)
請求項 3に記載の発明は、発振周波数 (f0)の超音波パルスを超音波トランスデュー サから繰り返し周波数 (fPRF)で測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射 角度（ Θ )にて入射し、 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 定し、前記被測定流体の流速分布に基づ!、て前記測定領域における被測定流体の 流量を演算するドッブラ式超音波流量計を用いた流量測定方法に係る。
すなわち、第一の繰り返し周波数にて第一超音波パルスを送信する第一超音波送 信手順と、 前記第一超音波パルスに対応する超音波エコーから第一流速分布を測 定する第一流速分布測定手順と、 第一の繰り返し周波数に対応する第一多重ェコ 一を演算する第一多重エコー演算手順と、 第一多重エコーを含むように、第一流 速分布における第一ノイズ重畳領域を定める第一ノイズ重畳領域特定手順と、 第 二の繰り返し周波数にて第二超音波パルスを発信する第二超音波発信手順と、 第 二超音波パルスに対応する超音波エコーから第二流速分布を計測する第二流速分 布計測手順と、 前記第二流速分布における第一ノイズ重畳領域に対応する流速デ ータを用いて第一流速分布における第一ノイズ重畳領域の流速データを補正するデ ータ補正手順と、を有することを特徴とする。
[0017] (請求項 4)
請求項 4に記載した発明は、請求項 3に記載した発明を限定したものであり、 前記多重エコーは、第二底面エコーとすることを特徴とする。
[0018] (請求項 5)
請求項 5に記載した発明は、 発振周波数 (f0)の超音波パルスを超音波トランスジ ユーサ力 繰り返し周波数 (fPRF)で測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ 入射角度（ Θ )にて入射し、 被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域 力 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 を測定し、 前記被測定流体の流速分布に基づ 、て前記測定領域における被測定 流体の流量を演算するドッブラ式超音波流量計における制御装置に用いる流量測 定用プログラムに係る。
そのプログラムは、第一の繰り返し周波数にて第一超音波パルスを送信する第一 超音波送信手順と、 前記第一超音波パルスに対応する超音波エコーから第一流 速分布を測定する第一流速分布測定手順と、 第一の繰り返し周波数に対応する第 一多重エコーを演算する第一多重エコー演算手順と、 第一多重エコーを含むよう に、第一流速分布における第一ノイズ重畳領域を定める第一ノイズ重畳領域特定手 順と、 第二の繰り返し周波数にて第二超音波パルスを発信する第二超音波発信手 順と、 第二超音波パルスに対応する超音波エコーから第二流速分布を計測する第 二流速分布計測手順と、 前記第二流速分布における第一ノイズ重畳領域に対応 する流速データを用いて第一流速分布における第一ノイズ重畳領域の流速データを 補正するデータ補正手順と、をドッブラ式超音波流量計の制御用コンピュータに実行 させることとしたことを特徴とする。
[0019] (請求項 6)
請求項 6に記載した発明は、請求項 5に記載した発明を限定したものであり、 前記多重エコーは、第二底面エコーとすることを特徴とする流量測定用プログラム に係る。
[0020] 請求項 5または請求項 6に記載した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 プログラムを保存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— R、 MO (光磁気ディスク）、 DVD— Rなどである。
請求項 5に記載のコンピュータプログラムを、ドッブラ式超音波流量計の制御用コンビ ユータにインストールすることによって、請求項 1に記載のドッブラ式超音波流量計を 提供することちできる。
[0021] 請求項 5及び請求項 6に記載したコンピュータプログラムには、ノ メータ入力手順 を備えておくこともできる。
そのパラメータ入力手順とは、本願発明で任意に決定するパラメータたる繰り返し 周波数 (fPRF)のみとしてもよいが、測定条件力 決定されるパラメータを含むことが 望ましい。「測定条件力も決定されるパラメータ」とは、配管の口径 (D)、被測定流体 の大ま力な流速、被測定流体中の音速 (CO)、超音波の入射角度（ Θ )である。
発明の効果
[0022] 本発明によれば、主に大口径の配管を流れる流体のドッブラ式超音波流量計によ る流速測定にぉ 、て、エリアジングの点からあまり低 、繰返し周波数を選択できな ヽ 場合においても、多重エコーによるノイズの影響を排除し、正確な測定を行える技術 を提供することができた。
図面の簡単な説明
[0023] [図 1]本願発明にかかるドッブラ式超音波流量計の構成を示した図である。
[図 2]ドッブラ式超音波流量計のパラメータを説明する図である。
[図 3]第二底面エコーによるノイズ発生原理を説明した図である。 [図 4] (A)、（B)においてノイズが存在する部位と補間すべき部位とを示し、（C)にお V、て補間後の流速分布を示す。
[図 5]本願発明のフローチャートの一例を示したものである。
[図 6]第二底面エコーの概念を示した図である。
発明を実施するための最良の形態
[0024] 本発明に係るドッブ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。
[0025] 図 1は、本発明に係るドッブラ式超音波流量計の構成を示したものであり、超音波 送信手段であるトランスデューサ、流体速度分布測定手段と流量演算手段からなる。 図 2に示すように、ドッブラ式超音波流量計については、一般的な発振周波数 (f0)は 固定値 (代表的には 1MHz)としている。また、超音波流量計を設置すべき現場では (または事前の情報として)、流体配管の管内径 (D)を知ることができ、被測定流体中 の超音波速度 (CO)を被測定流体の種類力 知ることができる。したがって、調整する 値としては、超音波パルスの入射角（ Θ )と繰り返し周波数 (fPRF)のみである。
[0026] 入射角（ Θ )は、予め用意してある数種類の楔 (くさび)から選択することで決定され る。すなわち、被測定流体が流れる配管の表面に対して、超音波トランスジユーサを 固定するための治具として楔を採用する。この楔は、予め角度が付けられており、そ の角度が超音波パルスの入射角（ Θ )となる。
[0027] 入射角（ Θ )は、大きいほど測定精度が上げられるが、被測定流体が速いと小さくせ ざるを得ない。したがって、被測定流体の流速によってある程度の範囲に絞られる。 しカゝも、数種類の楔の中から選択されるので、入射角（ Θ )を微調整することは困難で ある。
以上により、簡単に変更できる変数は、繰り返し周波数 (fPRF)のみとなる。
[0028] 続いて、第二底面エコーによる生じるノイズ領域を、図 3に基づいて説明する。
発信間隔を TO、配管径力 決定される第一の底面エコーを受信するまでの間隔を Tl、求めたい発信間隔を Τ2とする。仮設定した繰り返し周波数を fPRF、被測定流体 が流れる配管の直径を D、被測定流体における音速を C0、測定に用いる超音波の 入射角度を Θ、配管内の超音波の経路における配管の中心を R0、ドッブラ信号を Δ f、とする。
[0029] 上述の条件から、
T0 = l/fPRF (式 2)
が成り立つ。
[0030] また、第一の底面エコーは、配管を往復してくる時間なので、
T1 = 2Ό/ (CO · cos 0 ) (式 3)
となる。
[0031] 更に、 T2は、 T1および TOとは、
T2 = 2 X T1 -T0
という関係があるので、
2 Χ Τ1 >Τ0 (式 4)
のときに第二底面エコーノイズが流速分布に重畳し、その位置は、
T2 = 4D/ (C0 - cos Θ ) - 1 /fPRF (式 5)
となる。
[0032] 繰り返し周波数 (fPRF)を大きくすると、 DT1ZT2が大きくなる。したがって、流速分 布にぉ 、てノイズの位置は、配管半径方向にお!、て配管内壁から遠!、側に現れる。 繰り返し周波数 (fPRF)を小さくすると、 DT1ZT2が小さくなる。したがって、流速分 布にぉ 、てノイズの位置は、配管半径方向にお!、て配管内壁に近!、側に現れる。
[0033] 次に、図 4を用いて、第二底面エコーによるノイズ領域の補間方法を説明する。
図 4の (A)に示すように、配管径 1200 (mm)の被測定流体に対して、繰り返し周波 数£?1^が350 (1¾)においては、 T2は 0. 926 (ms)となり、第二底部エコーは配管 の中心付近 (管壁力も 49%の位置）を中心に重畳する。このめ、配管内壁力も 49% を中心に配管径の 30%の大きさの領域をノイズ重畳領域とする。このノイズ重畳領域 の大きさは、実際には測定環境によって異なる力 配管径の 30%の大きさをとること で影響を受けている領域のほぼ全体を《ることができる。
[0034] また、図 4の（B)に示すように、繰り返し周波数 fPRFが 500 (Hz)にお!/、ては、 T2は 1. 78 (ms)となり、第二底部エコーは配管内壁付近 (配管壁から 94%の位置）を中 心に重畳する。なお、図 4における発信間隔 TOは 2. 857 (ms)、水中の音速は 140 O (mZs)としている。
[0035] これより、繰り返し周波数 fPRFが 350Hzによる流速分布における配管内壁からの 距離力 08〜768 (mm)の流速データを、繰り返し周波数 fPRFが 500Hzによる流速 分布のデータと入れ替える。これによる、図 4 (C)のようにノイズ領域を取り除いた流 速分布を得ることができる。また、繰り返し周波数 fPRFが 500Hzによる流速分布にお ける配管内壁からの距離が 972〜 1200 (mm)の部位のデータを、繰り返し周波数 f PRFが 350Hzのものと入れ替えることによつても、同様なノイズ領域を取り除いた流 速分布を得ることができる。
[0036] 本実施の形態は、第二底面エコーによるノイズ領域を対象としているが、本発明の 範囲はこれに限定されず、繰り返し周波数 (fPRF)と相関を有するノイズ領域の補正 に広く適用することができる。
[0037] 次に、本発明に力かる流量測定プログラムの動作例を図 5に示すフロー図を用いて 説明する。
まず、入射角度（ Θ )、基本周波数 (fO)、繰返し周波数 (fPRF)配管径 (D)、およそ の流速 (V0)の入力を受け付ける（S1)。
[0038] 与えられたパラメータで超音波パルスを送信し (S2)、流速分布の測定を実施する（ S3)。
ノ メータから、 T2を演算し第二底面エコーの重畳する位置を特定する（S4)ととも に、第二底面エコーによるノイズが流速分布に重畳しているかを判断する（S5)。
[0039] なお、超音波パルスの発信（S1)及び流速分布の測定 (S2)と、第二底面エコーの 特定 (S4)及び重畳有無の判断 (S5)とは、順番が前後しても良い。
[0040] 第二底面エコーによるノイズが流速分布に重畳している場合には、その領域を特定 する（S6)。第二底面エコーによるノイズは T2を中心としてある程度の範囲に影響を 与え、その大きさは測定環境によって異なる力 T2を中心として配管の 30%の大きさ の領域をノイズ領域とすることで、ほとんどの影響を取扱うことができる。
[0041] 第二底面エコーによるノイズが重畳していると判断された場合にはもう一度測定を 行うが、 1回目のパラメータ力も繰返し周波数のみを変更する（S7)。その際には、 1 回目におけるノイズ重畳領域と 2回目のノイズ重畳領域が重ならないように、少なくと も T2が配管の 30%以上は異なるように設定する。
[0042] このようにして設定された、パラメータにおいて、エリアジングを生じない低周波の限 界（S8)および各々のパルスに対してエコー錯綜しな 、高周波の限界（S9)を満たす 力どうかを確認し、満たさない場合には 2回目の測定を行わない。
[0043] エリアジングおよびエコー非錯綜の条件を満たした場合には、再設定したパラメ一 タで超音波パルスを送信し (S 10)、流速分布測定 2を実施する（S 11 Α)、ここで得ら れたデータで、流速分布 1のノイズ重畳領域のデータを置換する（S11B)。この補正 後の流速分布を用 、て流量を算出する（S 12A)。
[0044] なお、ノイズが重畳して 、な 、場合、または 2回目の繰返し周波数を設定できなか つた場合には、流速分布測定 1の結果から流量を算出する（S12B)。
産業上の利用可能性
[0045] 本願発明は、主に、大口径で速い流速の流体流量を測定する場合に採用される技 術である。例えば、水力発電プラントにおいて、配管の流量測定において採用するこ とがでさる。

Claims

請求の範囲
[1] 発振周波数 (f0)の超音波パルスを超音波トランスジユーサカも繰り返し周波数 (fPR F)で測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射角度（ Θ )にて入射させる超 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カゝら反射された超音波ェコ 一を受信して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ブラ式超音波流量計であって、
前記の超音波送信手段は、 2以上の繰り返し周波数で超音波パルスを送信し、 前記流体速度分布測定手段は、各々の繰り返し周波数ごとのエコーから流速分布 を測定することによって、一の繰り返し周波数に対応する多重エコーによるノイズ重 畳領域を特定するとともに、
前記流量演算手段は、他の一の繰り返し周波数の流速分布における当該ノイズ重 畳領域に該当する流速データによって、前記一の繰り返し周波数におけるノイズ重 畳領域の流速データを補正することとしたを特徴とするドッブラ式超音波流量計。
[2] 前記多重エコーは、第二底面エコーとすることを特徴とする請求項 1に記載のドッ ブラ式超音波流量計。
[3] 発振周波数 (f0)の超音波パルスを超音波トランスジユーサカも繰り返し周波数 (fPR F)で測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射角度（ Θ )にて入射し、 被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域カゝ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し、
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 量を演算するドッブラ式超音波流量計を用いた流量測定方法であって、
第一の繰り返し周波数にて第一超音波パルスを送信する第一超音波送信手順と、 前記第一超音波パルスに対応する超音波エコーから第一流速分布を測定する第一 流速分布測定手順と、 第一の繰り返し周波数に対応する第一多重エコーを演算する第一多重エコー演算 手順と、
第一多重エコーを含むように、第一流速分布における第一ノイズ重畳領域を定める 第一ノイズ重畳領域特定手順と、
第二の繰り返し周波数にて第二超音波パルスを発信する第二超音波発信手順と、 第二超音波パルスに対応する超音波エコーから第二流速分布を計測する第二流速 分布計測手順と、
前記第二流速分布における第一ノイズ重畳領域に対応する流速データを用いて第 一流速分布における第一ノイズ重畳領域の流速データを補正するデータ補正手順と 、を有することを特徴とする流量測定方法。
[4] 前記多重エコーは、第二底面エコーとすることを特徴とする請求項 3に記載の流量 測定方法。
[5] 発振周波数 (f0)の超音波パルスを超音波トランスジユーサカも繰り返し周波数 (fPR F)で測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射角度（ Θ )にて入射し、 被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域カゝ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し、
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 量を演算するドッブラ式超音波流量計における制御装置に用いる流量測定用プログ ラムであって、
第一の繰り返し周波数にて第一超音波パルスを送信する第一超音波送信手順と、 前記第一超音波パルスに対応する超音波エコーから第一流速分布を測定する第 一流速分布測定手順と、
第一の繰り返し周波数に対応する第一多重エコーを演算する第一多重エコー演算 手順と、
第一多重エコーを含むように、第一流速分布における第一ノイズ重畳領域を定める 第一ノイズ重畳領域特定手順と、
第二の繰り返し周波数にて第二超音波パルスを発信する第二超音波発信手順と、 第二超音波パルスに対応する超音波エコーから第二流速分布を計測する第二流速 分布計測手順と、
前記第二流速分布における第一ノイズ重畳領域に対応する流速データを用いて第 一流速分布における第一ノイズ重畳領域の流速データを補正するデータ補正手順と 、をドッブラ式超音波流量計の制御用コンピュータに実行させることとした流量測定 用プログラム。
[6] 前記多重エコーは、第二底面エコーとすることを特徴とする請求項 5に記載の流量 測定用プログラム。
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