JP2005181268A

JP2005181268A - 超音波流量計

Info

Publication number: JP2005181268A
Application number: JP2003426497A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Fukuhara; 聡福原; Akira Kataoka; 明片岡; Nobuhiro Ukesono; 信博請園
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2003-12-24
Filing date: 2003-12-24
Publication date: 2005-07-07

Abstract

【課題】測定管内を流れる測定流体に対して、気泡やパーテクルを多いときには反射相関法に基づいて流速を測定し、気泡やパーテクルが少ないときには伝搬時間差法に基づいて流速を測定するようにして常に安定した状態で流速を測定できる超音波流量計を提供する。
【解決手段】超音波流量計は、時間差検出の手段として相関法を用いて流速を測定する少なくとも２つの第１及び第２の流速測定手段と、第１のトランスジューサから第２のトランスジューサに超音波信号を所定のパスを経由して送受信する超音波送受信手段と、前記超音波送受信手段での受信信号の強さ又は相関値から受信手段を判定する受信判定手段と、前記受信判定手段により、判定された信号に基づいて前記第１及び第２の流速測定手段を切り替えることである。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波流量計に関し、詳しくは信号検出の安定性（耐環境性）を向上させるものであり、具体的には気泡が発生しても、その気泡に対応して正確に流速が計測できるようにした超音波流量計に関する。

従来技術における超音波流量計は、伝搬時間差法による流量の計測と反射型相関法による流量の計測の２つの手法が存在する。

伝搬時間差法による超音波流量計の構成は、図３に示すように、配管１１１外周であって上流側に第１のトランスジューサー１１２を配置し、この第１のトランスジューサー１１２から外れた対向する位置であって下流側に第２のトランスジューサー１１３を備え、これらの第１及び第２のトランスジューサ１１２、１１３から超音波を送受信させて、その時間差を算出して流速を測定する測定部１１４とから大略構成されている。
このような構成からなる超音波流量計において、超音波を片側の第１のトランスデューサ１１２から飛ばし、送信とは別位置の第２のトランスデューサ１１３で受信し、逆に第２のトランスジューサ１１３から超音波を飛ばし、第１のトランスジューサ１１２で受信するようにし、その上流側の受信信号と下流側の受信信号のＡ／Ｄ変換して離散化した相関値を演算し流速に相当する時間差を求める。

反射型相関法による超音波流量計の構成は、図４に示すように、配管１１１に対して、その流れ方向に超音波を発射する第１のトランスジューサ１１２Ａと、この第１のトランスジューサ１１２Ａと同位置に配置され、第１のトランスジューサ１１２Ａから発射した超音波が気泡１１５にあたり反射してくる反射超音波を受信する第２のトランスジューサ１１３Ａとから構成されている。
この第１及び第２のトランスジューサ１１２Ａ、１１３Ａの位置は、配管１１１内を流れる測定流体からの反射超音波を受信できるよう適宜設置されている位置が変更できる構成になっている。
このような構成からなる超音波流量計において、先ず超音波を第１のトランスデューサ１１２Ａから飛ばし、気泡１１５やパーティクルから散乱される反射波を測定する。その際、超音波をある時間間隔で２回以上送信し、その複数の反射波から得られる受信信号の相関から流量を測定する。
このように、配管１１１内を流れる測定流体に気泡１１５やパーティクルが多くなると、配管１１１内を伝搬する超音波は散乱されるため、散乱波を受信しそこから相関で流速を求める。

特開２００２−２４３５１４（第４頁〜５頁第１図）

しかし、従来技術で説明した伝搬時間差法による超音波流量計においては、配管内の測定流体に気泡やパーティクルが存在しなくても流速を測定できるという特徴がある反面、気泡やパーティクルが多くなると超音波が届かなくなるため測定が不可能になるという問題がある。

又、反射型相関法による超音波流量計においては、配管内の測定流体中に気泡やパーティクルが多くなっても流速を測定できるという特徴があるが気泡やパーティクルが減ってくると超音波の散乱が減少するため測定不可能になるという問題がある。

従って、配管内に流れる測定流体中に存在する気泡やパーティクルの量に左右されることなく安定した状態で流速を求め、流量を求めることができる超音波流量計に解決しなければならない課題を有する。

上記課題を解決するために、本願発明の超音波流量計は、次に示す構成にすることである。

（１）超音波流量計は、測定管内の測定流体を通過する超音波信号に基づいて流量を求める超音波流量計であって、２つの超音波信号の伝搬状態から流速に相当する時間差を検出する手段として相関法を用い流速を検出する少なくとも２つの第１及び第２の流速測定手段と、１つのトランスジューサから別のトランスジューサに超音波を所定のパスを経由して送受信する送受信手段と、前記送受信手段により得られた受信信号の強さ又は相関値から前記２つの第１及び第２の流速測定手段の切換えを判定する判定手段と、前記判定手段に基づいて前記２つの第１及び第２の流速測定手段を自動的に切換える切換え手段と、を備えてなる。
（２）前記第１の流速測定手段は、上流側のトランスジューサから下流側のトランスジューサへ超音波を伝搬させ時間を計測し、下流側のトランスジューサから上流側のトランスジューサへ超音波を伝搬させ時間を計測し、その時間差から流速を求める伝搬時間差方式であり、前記第２の流速測定手段は、送信された超音波信号の流体中の気泡やパーティクル等の微粒子の反射信号を複数回測定しその受信信号の相関から流速を求める反射相関方式であることを特徴とする（１）に記載の超音波流量計。
（３）前記第２の流速測定手段は、上流側のトランスジューサ又は下流側のトランスジューサの何れかを使用するようにしたことを特徴とする（２）に記載の超音波流量計。

以上説明したことから明らかなように、本発明によれば、伝搬時間差法と反射型相関法の両者を組み合わせることで、気泡やパーティクルが存在している状態から、存在していない状態まで安定して流速を測定できるようになる。

以下、本発明の超音波流量計の実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。

本発明の超音波流量計は、図１に示すように、測定管１１の外周に設け、超音波を発射すると共に、受信する機能も備えた第１のトランスジューサであるトランスジューサＡ（１２）と、このトランスジューサＡ（１２）の下流側に設け、トランスジューサＡ（１２）からの超音波を受信すると共に受信する機能も備えた第２のトランスジューサであるトランスジューサＢ（１３）と、トランスジューサＡ（１２）或いはトランスジューサＢ（１３）から超音波を発射させるための送信回路１４と、トランスジューサＡ（１２）或いはトランスジューサＢ（１３）から超音波を受信させるための受信回路１５と、トランスジューサＡ（１２）及びトランスジューサＢ（１３）との接続を切り替える切換器１６と、受信回路１５で受信した超音波信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ１７と、Ａ／Ｄコンバータ１７で生成されたデジタル信号に基づいて離散化した相関値を演算して時間差を求める相関演算器１８と、相関演算器１８で算出された時間差から流速を求めると共に送信回路１４からの超音波送出のタイミングを制御、切換器１６の切換を制御するデジタル信号プロセッサＤＳＰ（１９）と、から大略構成されている。
このなかで、デジタル信号プロセッサＤＳＰ（１９）による切換器１６の制御は、トランスジューサＡ（１２）とトランスジューサＢ（１３）を使うように切換器１６をＡＳ側にして送信回路１４とトランスジューサＡ（１２）を接続し且つＢＲ側にしてトランスジューサＢ（１３）と受信回路１５を接続し、逆にＢＳ側にして送信回路１４とトランスジューサＢ（１３）を接続し且つＡＲ側にして受信回路１５とトランスジューサＡ（１２）を接続するように制御するのが第１の流速測定手段である。
又、トランスジューサＡ（１２）のみを使うように切換器１６をＡＳ側にして送信回路１４とトランスジューサＡ（１２）とを接続し且つＡＲ側にして受信回路１５とトランスジューサＡ（１２）とを接続するように制御するのが第２の流速測定手段である。

相関演算器１８は、デジタル化された信号の離散化した相関値を演算する。その際、上流側のトランスジューサＡ（１２）から発射した超音波を下流側のトランスジューサＢ（１３）で受信、下流側のトランスジューサＢ（１３）から発射した超音波を上流側のトランスジューサＡ（１２）で受信した信号に基づいて相関演算を行う。
相関演算の結果、相関値が最大になる時間差を求め、流速を計算する。同時に相関値を計算し、その値をデジタル信号プロセッサＤＳＰ（１９）へ送る。

切換器１６は、所謂、切換え手段であり、デジタル信号プロセッサＤＳＰ（１９）の信号によりコントロールされる。この切換は送信回路１４、受信回路１５を独立して制御できるように構成されている。

デジタル信号プロセッサＤＳＰ（１９）は、相関値が充分大きい場合、第１の流速測定手段である時間差伝搬モード（伝搬時間差法）を利用すると判断する。この判断により、送信回路１４に対し送信開始信号をある一定の間隔で送り、同時に切換器１６に送信から受信までの一定の時間間隔後に、送受信のトランスデューサの役目を切り換えるように命令を出す。この場合、送信/受信の組は、図中ＡＳ／ＢＲまたはＢＳ／ＡＲとなる。実施例の場合、１つのトランスジューサＡ（１２）と別のトランスジューサＢ（１３）を利用することになる。
一方で、相関値が有る値より小さい場合には、第２の流速測定手段である反射相関法を利用すると判断する。この場合、ある短い時間間隔をおいて最低２つの超音波を同じトランスデューサへ送る。実施例の場合にはトランスジューサＡ（１２）に送る。また、切換器１６に対しては、送信/受信の組は、ＡＳ／ＡＲとなるよう命令を送る。

相関値が大きい時に選択される伝搬時間差法では、図２（Ａ）に示すように、上流側のトランスジューサＡ（１２）から超音波を発射し、その所定パスを経過した超音波をトランスジューサＢ（１３）で受信する。同様に送受信を切換えて、下流側のトランスジューサＢ（１３）から超音波を発射し、その発射された超音波が所定パス経路を通り上流側のトランスジューサＡ（１２）で受信する。これらのそれぞれの受信信号をＡ／Ｄコンバータで変換され、相関演算器で離散化した相関値を演算し、流速に相当する時間差を求めて流速が計算されることになる。

相関値が小さい時に選択される反射相関法では、図２（Ｂ）に示すように、上流のみのトランスデューサ、あるいは下流のみのトランスデューサで送受信が行われる。実施例においてはトランスジューサＡ（１２）のみで送受信が行われるようになっている。その際、信号を送信後特定の時間をおいて受信された信号波形と、更にトランスジューサＡ（１２）から一定時間をおいて送信〜受信された信号の、ペアから相関を計算し、その相関から流速を計算する。

結果的に、気泡やパーティクルが少ない場合、超音波が反対側（上流から送信した場合下流側、下流側から送信した場合は上流側）のトランスデューサへ波形の乱れが少なく信号が伝搬され、その際に外乱が少ないため、相関をとった時の相関の最大値は大きいものになる（上記２つの受信波の波形が類似している）。
一方、気泡やパーティクルが多くなると、反対側のトランスデューサで検出される信号の相関値は小さくなり、反射波が増加する。その場合、反射による相関により流速を計算する。

このようにして、気泡やパーテクルが少ないことを、相関値が充分大きいという判断で判定して、トランスジューサＡ（１２）及びトランスジューサＢ（１３）を使用した伝播時間差法に基づいて流速を測定し、気泡やパーテクルが多いことを、相関値が充分少ないという判断で判定し、トランスジューサＡ（１２）のみを用いて反射相関法に基づいて流速を測定することで、両者の欠点を補充しあうことで、測定流体の流速を正確に計測できるのである。
ここで、相関値の大きさで伝播時間差法或いは反射相関法を使うように判定しているが、これは超音波の受信信号の強さで判定するようにしてもよい。伝播時間差法で計測しているときに、気泡等が多い場合には受信信号は弱くなるため、その信号の大きさに基づいて反射相関法に切替えるように制御できる。

測定管内を流れる測定流体に含まれる気泡やパーテクルが少ないときには伝搬時間差法に基づいて流速を測定するようにし、気泡やパーテクルが多いときには反射相関法に基づいて流速を測定するように同じ回路構成で行うようにしたことで、測定流体の状態が変化しても安定した流速の測定ができる超音波流量計を提供する。

本願発明の超音波流量計の構成を略示的に示したブロック図である。同、伝搬時間差法に基づくときの超音波の波形と、反射相関法に基づくときの超音波の波形を示した説明図である。従来技術における伝搬時間差法に基づく流速を測定する手法を示した説明図である。従来技術における反射相関法に基づく流速を測定する手法を示した説明図である。

符号の説明

１１測定管
１２トランスジューサＡ
１３トランスジューサＢ
１４送信回路
１５受信回路
１６切換器
１７Ａ／Ｄコンバータ
１８相関演算器
１９デジタル信号プロセッサＤＳＰ

Claims

測定管内の測定流体を通過する超音波信号に基づいて流量を求める超音波流量計であって、
２つの超音波信号の伝搬状態から流速に相当する時間差を検出する手段として相関法を用い流速を検出する少なくとも２つの第１及び第２の流速測定手段と、
１つのトランスジューサから別のトランスジューサに超音波を所定のパスを経由して送受信する送受信手段と、
前記送受信手段により得られた受信信号の強さ又は相関値から前記２つの第１及び第２の流速測定手段の切換えを判定する判定手段と、
前記判定手段に基づいて前記２つの第１及び第２の流速測定手段を自動的に切換える切換え手段と、を備えてなる超音波流量計。
前記第１の流速測定手段は、上流側のトランスジューサから下流側のトランスジューサへ超音波を伝搬させ時間を計測し、下流側のトランスジューサから上流側のトランスジューサへ超音波を伝搬させ時間を計測し、その時間差から流速を求める伝搬時間差方式であり、前記第２の流速測定手段は、送信された超音波信号の流体中の気泡やパーティクル等の微粒子の反射信号を複数回測定しその受信信号の相関から流速を求める反射相関方式であることを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
前記第２の流速測定手段は、上流側のトランスジューサ又は下流側のトランスジューサの何れかを使用するようにしたことを特徴とする請求項２に記載の超音波流量計。