特許 6582368 流量計測装置および流量計測方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6582368

(24)【登録日】2019年9月13日

(45)【発行日】2019年10月2日

(54)【発明の名称】流量計測装置および流量計測方法

(51)【国際特許分類】

   G01F 1/66 20060101AFI20190919BHJP

【ＦＩ】

   G01F1/66 A

【請求項の数】2

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2014-150141(P2014-150141)

(22)【出願日】2014年7月23日

(65)【公開番号】特開2016-24131(P2016-24131A)

(43)【公開日】2016年2月8日

【審査請求日】2017年6月20日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003687

【氏名又は名称】東京電力ホールディングス株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】304021417

【氏名又は名称】国立大学法人東京工業大学

(74)【代理人】

【識別番号】100149548

【弁理士】

【氏名又は名称】松沼 泰史

(74)【代理人】

【識別番号】100175824

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 淳一

(74)【代理人】

【識別番号】100140774

【弁理士】

【氏名又は名称】大浪 一徳

(74)【代理人】

【識別番号】100179833

【弁理士】

【氏名又は名称】松本 将尚

(74)【代理人】

【識別番号】100114937

【弁理士】

【氏名又は名称】松本 裕幸

(74)【代理人】

【識別番号】100064908

【弁理士】

【氏名又は名称】志賀 正武

(74)【代理人】

【識別番号】100089037

【弁理士】

【氏名又は名称】渡邊 隆

(72)【発明者】

【氏名】梅沢 修一

(72)【発明者】

【氏名】田中 勝彦

(72)【発明者】

【氏名】横坂 雅樹

(72)【発明者】

【氏名】宮内 亮二

(72)【発明者】

【氏名】川口 達也

(72)【発明者】

【氏名】木倉 宏成

(72)【発明者】

【氏名】都築 宣嘉

(72)【発明者】

【氏名】塚田 圭祐

【審査官】 岡田 卓弥

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２０１１／００２３６２３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００８／００９８８２４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２００３−２５４８０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平５−２６４３１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開平２−１１０８２５（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 実開平２−７５２４（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開昭６１−２８８２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭５９−１６１０３５（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｆ １／６６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

配管の内部を流れる気体の流量を計測する流量計測装置であって、
前記配管に接触して設置される超音波トランスデューサと、
前記超音波トランスデューサによる超音波の受信結果に基づいて、前記気体の流量を算出する流量算出部と、
前記配管と前記超音波トランスデューサとの間に着脱可能なスペーサー部材とを備え、
前記超音波トランスデューサは、前記配管の内部に向けて前記超音波を発振する超音波発振部と、前記超音波発振部が設けられる側の反対側の前記配管上に設置され、前記超音波を受信する超音波受信部とを含み、少なくとも前記超音波発振部が前記超音波を前記配管の中心に収束させる収束手段を有し、
前記スペーサー部材は、前記配管の外面の曲率と同等の内径を有するとともに、前記超音波発振部の前記超音波の発振面の曲率と同等の外径を有する
ことを特徴とする流量計測装置。

【請求項2】

配管の内部を流れる気体の流量を計測する流量計測方法であって、
前記配管の内部に向けて超音波を発振する超音波発振部と、前記超音波発振部が設けられる側の反対側の前記配管上に設置され、前記超音波発振部が発振した前記超音波を受信する超音波受信部とを含み、少なくとも前記超音波発振部が前記超音波を前記配管の中心に収束させる収束手段を有する超音波トランスデューサを用いて、該配管の内部に向けて発振した超音波を受信する受信ステップと、
前記受信ステップで受信した結果に基づいて、前記気体の流量を算出する流量算出ステップと、を備え、
前記受信ステップにおいて、前記配管と前記超音波トランスデューサとの間に着脱可能に設けられ、前記配管の外面の曲率と同等の内径を有するとともに、前記超音波発振部の前記超音波の発振面の曲率と同等の外径を有するスペーサー部材を用いる
ことを特徴とする流量計測方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、流量計測装置および流量計測方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、配管内を流れる流体の流量を計測する超音波式流量計測装置として、配管表面に設置した平面センサーにより配管内を流れる流体の流量を検出するものが知られている（例えば、非特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0003】

【非特許文献1】GEセンシング＆インスペクション・テクノロジーズ株式会社センシング営業本部、“ポータブル超音波気体流量計 ＰＴ８７８ＧＣ”、[平成２６年５月１日検索]、インターネット(URL:http://www.gesensing.jp/product/pdf/flow/pt878gc.pdf)。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、上記の超音波式流量計測装置においては、平面センサーが配管内に超音波を効率良く入射させることが難しく、流量計測を精度良く行うことが難しかった。また、配管径や厚さ等といった計測条件が極めて限定されているため、計測対象が限られてしまい、特に配管径が小さいものに対する汎用性において改善すべき点があった。

【0005】

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、汎用性に優れ、異なる計測条件下においても、配管内を流れる気体の流量を精度良く計測できる流量計測装置および流量計測方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の第１態様に従えば、配管の内部を流れる気体の流量を計測する流量計測装置であって、前記配管に接触して設置される超音波トランスデューサと、前記超音波トランスデューサによる超音波の受信結果に基づいて、前記気体の流量を算出する流量算出部と、前記配管と前記超音波トランスデューサとの間に着脱可能なスペーサー部材とを備え、前記超音波トランスデューサは、前記配管の内部に向けて前記超音波を発振する超音波発振部と、前記超音波発振部が設けられる側の反対側の前記配管上に設置され、前記超音波を受信する超音波受信部とを含み、少なくとも前記超音波発振部が前記超音波を前記配管の中心に収束させる収束手段を有し、前記スペーサー部材は、前記配管の外面の曲率と同等の内径を有するとともに、前記超音波発振部の前記超音波の発振面の曲率と同等の外径を有することを特徴とする流量計測装置が提供される。

【0007】

また、上記第１態様においては、前記収束手段は、前記超音波の発振面が前記配管の外面に対応した曲率を有することで構成されてもよい。

【0008】

また、上記第１態様においては、前記超音波受信部が第２の収束手段を有し、前記第２の収束手段は、前記超音波の受信面が前記配管の外面に対応した曲率を有することで構成されてもよい。

【0009】

また、上記第１態様においては、前記配管に設けられた抑振材をさらに備える構成としてもよい。

【0010】

また、上記第１態様においては、前記配管と前記超音波トランスデューサとの間に着脱可能なスペーサー部材をさらに備え、前記スペーサー部材は、前記配管の外面の曲率と同等の内径を有するとともに、前記発振面の曲率と同等の外径を有する構成としてもよい。

【0011】

また、上記第１態様においては、前記配管の周方向における複数個所に設置された複数の超音波トランスデューサの各計測結果に基づいて、前記配管の内部における前記気体の流速分布の偏りを判定する判定部と、前記判定部の判定結果に基づいて、複数の前記超音波トランスデューサの中から計測に用いるものを選択する選択部と、をさらに備える構成としてもよい。

【0012】

また、上記第１態様においては、前記超音波トランスデューサは、前記超音波の中心周波数が１００ＫＨｚ〜１ＭＨｚに設定されている構成としてもよい。

【0013】

また、上記第１態様においては、気体の流量を、タフト法を用いて計測する構成としてもよい。

【0014】

本発明の第２態様に従えば、配管の内部を流れる気体の流量を計測する流量計測方法であって、前記配管の内部に向けて超音波を発振する超音波発振部と、前記超音波発振部が設けられる側の反対側の前記配管上に設置され、前記超音波発振部が発振した前記超音波を受信する超音波受信部とを含み、少なくとも前記超音波発振部が前記超音波を前記配管の中心に収束させる収束手段を有する超音波トランスデューサを用いて、該配管の内部に向けて発振した超音波を受信する受信ステップと、前記受信ステップで受信した結果に基づいて、前記気体の流量を算出する流量算出ステップと、を備え、前記受信ステップにおいて、前記配管と前記超音波トランスデューサとの間に着脱可能に設けられ、前記配管の外面の曲率と同等の内径を有するとともに、前記超音波発振部の前記超音波の発振面の曲率と同等の外径を有するスペーサー部材を用いる流量計測方法が提供される。

【0015】

また、上記第２態様においては、前記受信ステップにおいて、前記超音波トランスデューサとして、前記収束手段が前記超音波の発振面が前記配管の外面に対応した曲率を有することで構成されたものを用いてもよい。

【0016】

また、上記第２態様においては、前記受信ステップにおいて、前記超音波トランスデューサとして、前記超音波受信部が第２の集光手段を有したものを用い、前記第２の収束手段は、前記超音波の受信面が前記配管の外面に対応した曲率を有することで構成されてもよい。

【0017】

また、上記第２態様においては、前記受信ステップにおいて、前記配管に抑振材を配置した状態とする構成としてもよい。

【0018】

また、上記第２態様においては、前記受信ステップに先立ち、前記配管の周方向の複数個所で前記気体の流量をそれぞれ計測した結果に基づいて前記配管の内部における前記気体の流速分布の偏りを判定する判定ステップと、前記判定ステップの結果に基づいて、前記受信ステップで使用する前記超音波トランスデューサを選択する選択ステップと、を備える構成としてもよい。

【0019】

また、上記第２態様においては、前記超音波トランスデューサとして、前記超音波の中心周波数が１００ＫＨｚ〜１ＭＨｚに設定されたものを用いる構成としてもよい。

【0020】

また、上記第２態様においては、前記気体の流量を、タフト法を用いて計測する構成としてもよい。

【発明の効果】

【0021】

本発明によれば、汎用性に優れ、異なる計測条件の配管内を流れる気体の流量を精度良く計測することができる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】第１実施形態に係る流量計測装置の概略構成を示す図である。

【図2】（ａ）、（ｂ）は超音波トランスデューサの概略構成を示す断面図である。

【図3】スペーサー部材の構成を示す図である。

【図4】制御部の構成を示す模式図である。

【図5】従来の平面センサーを用いた場合の解析結果を示した図である。

【図6】曲面センサーを用いた場合の解析結果を示した図である。

【図7】曲面センサー及び制振材を設置した場合の解析結果を示した図である。

【図8】第２実施形態の流量計測装置の要部構成を示す図である。

【図9】時間差法を適用した場合の発振面および受信面の構造を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図面を参照して説明する。本実施形態に係る流量計測装置は、例えば、ボイラーなどの蒸気製造装置と負荷設備との間に配設される配管内を流れる気体（例えば、蒸気）の流量を計測可能なシステムである。また、本実施形態の流量計測装置は、配管内を流れる気体の流量を、超音波を利用して計測する装置である。

【0024】

図１は本実施形態に係る流量計測装置の概略構成を示す図である。図２は、流量計測装置の要部構成を示す図である。
本実施形態に係る流量計測装置１００は、図１に示すように、超音波トランスデューサ１と、制御部２とを備えている。図１において、配管１０は、蒸気製造装置２０（ボイラーなど）と負荷設備３０との間に配設されている。蒸気製造装置２０からの蒸気が配管１０を流れ、負荷設備３０に送られる。負荷設備３０において、蒸気又は蒸気の熱が利用される。負荷設備３０から排出された蒸気はドレンとして回収され、還水槽（不図示）に集約された後、蒸気製造装置２０に再度給水される。

【0025】

従来、配管を破壊せずに、該配管の内部を流れる流体（液体）の流量を外側から超音波を用いて計測することは行われていた。以下、配管を破壊することなく、配管表面に設置した超音波トランスデューサにより外側から内部を流れる流体の流量を計測する方式をクランプオン方式と呼ぶことにする。

【0026】

上述のクランプオン方式により配管内の液体の流量を計測する際、超音波の送受信経路は、配管材料（固体）、液体、及び配管材料（固体）となる。この場合、固液界面での音波の反射によるエネルギーロスがみられるものの、概ね良好に超音波信号の送受信が可能である。これは、固体と液体とでは、媒質の音速と密度の積である音響インピーダンスの整合が相対的に良好なためである。すなわち、固体及び液体では、密度比および音速比は数倍から１０倍程度となっている。

【0027】

一方、配管の内部を流れる気体（例えば、蒸気）の流量を、超音波を用いて計測する場合、固体および気体における著しい音響インピーダンスの相違を回避する必要がある。そのため、配管内を流れる気体の流量を計測する場合、クランプオン方式による気体の流量計測は困難とされていた。

【0028】

そこで、配管内を流れる気体の流量を計測する場合、超音波発振子および受信子を配管内に設置する方式が一般的であった。この場合、鋼管に貫通穴を設けた専用のフランジ付測定部を挿入する必要があるため、運転中のプラントを一旦停止させ、配管を切断する作業が必要であった。

【0029】

さらに、従来の流量計測に用いられる超音波トランスデューサは、振動面が平面の平面センサーから構成されていた。平面センサーは、配管に対して超音波を入射した際、配管の中心のみを通る音波のみが透過し、配管中心を逸れた音波は配管の曲率により反射又は屈折され、受信することができない。また、平面センサーは、配管を伝搬するガイド波（ノイズ成分）を受信し易かった。そのため、上述のようなクランプオン方式の気体の流量計測に平面センサーを用いると、超音波信号の送受信が良好に行うことができず、流量計測を精度良く行うことが難しかった。

【0030】

本発明者らは、配管内を流れる気体の流量をクランプオン方式で計測する場合、配管内部に超音波を効率良く導くために、超音波トランスデューサ（センサー）の形状が重要であるとの知見を得た。

【0031】

図２は超音波トランスデューサ１の概略構成を示す図であり、図２（ａ）は配管１０の管軸方向に沿った断面図であり、図２（ｂ）は配管１０の管軸方向から視た断面図である。図２（ａ）に示すように、超音波トランスデューサ１は、配管１０の表面１０ａに接触した状態で設置されている（クランプオン方式）。超音波トランスデューサ１は、第１素子２１と第２素子２２とを含む。第１素子２１と第２素子２２は、それぞれ超音波の送信受信を行うことができる。

【0032】

本実施形態において、第１素子２１は、配管１０の内部に向けて超音波Ｐを発振する超音波発振部として機能する。第２素子２２は、第１素子２１が発振した超音波Ｐを受信する超音波受信部として機能する。

【0033】

超音波トランスデューサ１において、その中心周波数は数十ＫＨz〜数ＭＨｚであることが好ましい。中心周波数が数百ＫＨｚ以上であると、環境雑音の影響が低下するという利点がある。中心周波数が数ＭＨｚ以下であると、超音波の空気中での減衰率が低下するという利点がある。本実施形態では、中心周波数を１００ＫＨｚ〜１ＭＨｚ、例えば、５００ＫＨｚとした。

【0034】

本実施形態の第１素子２１および第２素子２２は、配管１０の内部に超音波Ｐを効率良く導くために、配管１０の表面１０ａに対応した曲率を有した曲面センサーから構成される。

【0035】

具体的に第１素子２１は、図２（ｂ）に示すように、超音波を発振する発振面２１ａが配管１０の表面１０ａに対応した曲面（断面形状が円）となっている。すなわち、発振面２１ａは、超音波の発振素子が曲面状に配置されることで、発振した超音波を配管１０の中心に収束させることが可能となっている。本実施形態において、発振面２１ａは配管１０の中心に超音波を集束させる収束手段を構成する。

【0036】

また、第２素子２２は、図２（ｂ）に示すように、超音波を受信する受信面２２ａが配管１０の表面１０ａに対応した曲面（断面形状が円）となっている。よって、配管１０の中心に収束した超音波は受信面２２ａに対して垂直に入射するようになっている。

【0037】

ここで、発振面２１ａおよび受信面２２ａが表面１０ａに対応する態様とは、発振面２１ａおよび受信面２２ａが表面１０ａと直接的に接触する態様に限定されず、例えば、超音波トランスデューサ１と配管１０との隙間に楔状のスペーサー部材が配置されることで、発振面２１ａおよび受信面２２ａが表面１０ａに間接的に接触する態様も含む。

【0038】

図３はスペーサー部材の概略構成を示す図である。図３に示すように、スペーサー部材１３は、内径１３ａが表面１０ａの曲率に一致し、外径１３ｂが発振面２１ａおよび受信面２２ａの曲率に一致している。例えば、内径１３ａを異ならせた複数のスペーサー部材１３を用いれば、１つの超音波トランスデューサ１が表面１０ａの径が異なる種々の配管１０に対して流量計測を行うことが可能となる。よって、配管１０の径に依存しない汎用性に優れた流量計測装置１００が提供される。

【0039】

また、本実施形態において、配管１０は、一部が制振材１１で覆われている。制振材１１は、超音波トランスデューサ１（第１素子２１および第２素子２２）の設置部分を除くように配管１０の管軸方向に亘って設置されている。

【0040】

制振材１１としては、音響減衰効果が高い部材であればよく、例えば、粘土状またはペースト状材料、吸音材（パンチングメタル）、高分子材料等を例示することができる。また、内部に蒸気が流れることで配管１０の表面温度が高くなる場合においては、制振材１１としては音響減衰効果に加え、耐熱性を備えた材料を用いるのが望ましい。

【0041】

図４は、制御部２の構成を示す模式図である。図４に示すように、制御部２は、計算装置４０に加え、入力装置４１、及び表示装置（出力装置）４２を有する。計算装置４０は、Ａ／Ｄ変換器等の変換器４３、ＣＰＵ（演算処理手段）４４、及びメモリ４５等を有する。流量計測装置１００の超音波トランスデューサ１から送られる測定データ（超音波計測結果）が、必要に応じて変換器４３等で変換され、ＣＰＵ４４に取り込まれる。また、初期設定値、及び仮データなどが入力装置４１などを介して計算装置４０に取り込まれる。表示装置４２は、入力されたデータに関する情報、及び計算に関する情報などを表示することができる。

【0042】

ＣＰＵ４４は、測定データ、及びメモリ４５に記憶された情報に基づき、配管１０の内部を流れる蒸気の流量を算出することができる。ＣＰＵ４４は、例えば、超音波トランスデューサ１の受信結果（配管１０内の超音波の空間分布）を用いて求めた蒸気の流速と、後述のようにメモリ４５に記憶された情報（配管１０の断面積、蒸気の密度）から配管１０の内部を流れる蒸気の流量を算出する。ここで、蒸気の流量Ｑは、蒸気の流速Ｖと、配管１０の断面積Ａと、蒸気の密度ρ（温度および圧力から算出可能）との積（Ｑ＝Ｖ×Ａ×ρ）から算出される。すなわち、制御部２は、配管１０の内部を流れる蒸気の流量を算出する特許請求の範囲に記載の流量算出部を構成する。

【0043】

本実施形態において、流量計測装置１００の流量測定方法としては、タフト法又は時間差法のいずれにも適用可能である。
タフト法とは、超音波を配管断面に平行、すなわち管軸に対して垂直に発振し、対向する位置に設けたセンサーにより音響強度分布の空間移動量から流量を決定する方式である。
時間差法とは、２つの超音波送受信子を配管の管軸に対して斜めに設置し、上流から下流に向かう超音波の往路における到達時間と、下流から上流に向かう超音波の復路における到達時間とを求めることで、気体の速度に応じた到達時間の変化から流量を決定する方式である。

【0044】

本実施形態の流量計測装置１００は、例えば、タフト法により流量計測を行う場合を例に挙げる。タフト法は上述のように配管１０に対して超音波を垂直に入射させるため、界面での反射、屈折が抑制されることで配管１０の内部に超音波を良好に入射するからである。

【0045】

ここで、クランプオン方式で超音波流量計測を行った場合に受信可能となる超音波信号におけるシミュレーションの解析結果を用いて、本実施形態の流量計測装置１００の有効性について説明する。

【0046】

本シミュレーションはタフト法により計測を行う場合をモデル化して計算を行った。また、本解析では、ボクセル型有限要素法を用い、管内径、外径、材質等の物性値は流量計測装置１００と同一とし、超音波信号は間歇的正弦波を一定周期で送出するバースト波とした。なお、超音波伝播数値計算を行う際、蒸気の音速、密度が重要な物性値となる。蒸気の音速は圧力温度依存性があるため、蒸気を完全気体として飽和蒸気の音速を算出した。

【0047】

図５は従来の平面センサーを用いた場合の解析結果を示した図である。図６は本実施形態の超音波トランスデューサ１（曲面センサー）を用いた場合の解析結果を示した図である。図７は超音波トランスデューサ１（曲面センサー）に加え、制振材１１を設置した場合（すなわち、本実施形態の流量計測装置１００の構成）の解析結果を示した図である。図５〜７は超音波伝播解析結果（音圧の強度分布）を示す。

【0048】

図５に示されるように、図中左端に設置された超音波発振子からバースト状の加振を行うと横波が励起され、配管（鋼管）に音波が速やかに伝搬するとともに、配管内へと音波が進入する。ここで、気体中及び固体中での音速比は１０倍以上であるため、固体中の音波は直ちに反対側の超音波受信子に到達するが、この間に配管内へと音波を照射し、ほぼ円形の音場が管内外に励起され、複雑な音響強度分布となる。そのため、平面センサーを用いた場合は、超音波受信子に到達する波形の信号対雑音比が極めて低く、管内の音波を明確に判別することが難しいことが確認できる。
以上から、クランプオン方式と平面センサーとを組み合わせた従来構造では、流量計測を行うのが非常に困難であると言える。

【0049】

図６からは、配管内の気体（蒸気）に集束超音波が効率的に導入され、同時に配管内を伝搬する音波が著しく弱められた状態で曲面センサー（超音波受信子）に音波が到達することが確認できた。具体的に、受信信号全体の振幅レベルが約１／１０以下程度に低下することが確認できた。これは、信号対雑音比の向上にセンサー形状が大きく影響することを示すものである。
以上から、クランプオン方式と曲面センサーとを組み合わせた本発明の構造は流量計測を良好に行うことが可能である。

【0050】

なお、クランプオン方式と曲面センサーとを組み合わせた流量計測方法においても、依然として配管内を伝搬するノイズ成分が存在している。
この場合、図７に示されるように、制振材を使用することで配管内を伝搬する音波が減少し、曲面センサー（超音波受信子）に到達するノイズ成分を曲面センサーのみを用いた場合に比べ、より減少できることが確認できた。

【0051】

以上の解析結果に鑑みてなされた本実施形態の流量計測装置１００によれば、配管を切断しないクランプオン方式（非破壊検査）による計測であっても、超音波トランスデューサ１を構成する第１素子２１が配管１０の表面１０ａに対応した曲面センサーから構成されるため、超音波を配管１０の中心で収束させることができる。
よって、配管１０の曲率に影響される屈折や反射が抑えるので、信号強度を向上させることができる。また、第２素子２２が配管１０の表面１０ａに対応した曲面センサーから構成されるため、配管１０の中心に収束した超音波を受信面２２ａに対して垂直に入射させることができる。
また、本実施形態においては、配管１０に制振材１１が設置されているため、配管１０内を伝搬する音波が減少する。そのため、受信される超音波信号の強度が向上して信頼性の高い計測を行うことができる。

【0052】

続いて、本実施形態に係る流量計測装置１００による流量計測方法について説明する。
はじめに、制御部２は蒸気製造装置２０から配管１０を介して負荷設備３０への蒸気の供給を開始する。

【0053】

続いて、制御部２は超音波トランスデューサ１を駆動し、第１素子２１の発振面２１ａから配管１０の内部に向けて超音波を発振する。本実施形態において、超音波トランスデューサ１を構成する第１素子２１が配管１０の表面１０ａに対応した曲率の発振面２１ａを有するので、超音波を配管１０の中心で収束させることができる。よって、配管１０の曲率に影響される屈折や反射が抑えることができる。

【0054】

配管１０の中心で収束された超音波は、配管１０の対向面側に設置された第２素子２２により受信される（受信ステップ）。本実施形態において、超音波トランスデューサ１を構成する第２素子２２が配管１０の表面１０ａに対応した曲率の受信面２２ａを有するので、配管１０の中心に収束した超音波を受信面２２ａに対して垂直に入射させることができる。よって、受信される信号の強度が向上して信頼性の高い計測が可能となる。

【0055】

受信面２２ａで受信した信号は制御部２へと送信される。制御部２は、送信された信号をＡ／Ｄ変換機等の変換器４３（図４参照）によりデジタル変換し、ＣＰＵ４４（図４参照）に取り込む。

【0056】

制御部２は、タフト法により超音波トランスデューサ１が取得した超音波の空間分布（分散データ）を用いて、メモリ４５（図４参照）に記憶された情報から配管１０の内部を流れる蒸気の流量を算出する（流量算出ステップ）。

【0057】

メモリ４５には、例えば、予め実験やシミュレーション等によって求められた蒸気の流速と超音波の空間分布とに関する情報が記憶されている。制御部２は、メモリ４５に記憶された上記情報を読み出し、配管１０の超音波の空間分布の計測値と比較することで、実際に計測された空間分布（超音波トランスデューサ１の計測結果）に対応した蒸気の流量を算出することができる。

【0058】

以上述べたように、本実施形態によれば、超音波を用いることで、配管１０の内部を流れる蒸気の流量を、該配管１０を破壊することなく、簡便且つ精度良く求めることができる。

【0059】

（第２実施形態）
続いて、第２実施形態に係る流量計測装置について説明する。本実施形態と第１実施形態との違いは、配管１０に設置された超音波トランスデューサ１の数であり、それ以外の構成は共通である。以下では、第１実施形態と共通の構成および部材については同じ符号を付し、その詳細の説明については省略する。

【0060】

図８は、本実施形態の流量計測装置１０１の要部構成を示す図であり、図８（ａ）は配管１０の管軸方向に沿った断面図であり、図８（ｂ）は配管１０の管軸方向から視た断面図である。

【0061】

図８（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施形態の流量計測装置１０１は、複数（例えば、４つ）の超音波トランスデューサ１と、制御部２とを備えている。本実施形態においても、各超音波トランスデューサ１は、それぞれ第１素子２１と第２素子２２とを含む。

【0062】

各超音波トランスデューサ１は、配管１０の周方向に沿ってそれぞれ位置を異ならせるように（４０度ずつ位置を違えて）配置されている。各超音波トランスデューサ１は、制御部２に電気的に接続されており、計測結果を制御部２に送信するようになっている。

【0063】

制御部２は、各超音波トランスデューサ１において、第１素子２１を超音波発振部として機能させ、第２素子２２を超音波受信部として機能させるが、第１素子２１を超音波受信部として機能させ、第２素子２２を超音波発振部として機能させることも可能である。

【0064】

このような構成に基づき、本実施形態の流量計測装置１０１は、配管１０の断面内の４方向において超音波による流量計測が可能となっている。

【0065】

続いて、本実施形態に係る流量計測装置１０１による流量計測方法について説明する。
まず、制御部２は蒸気製造装置２０から配管１０を介して負荷設備３０への蒸気の供給を開始する。

【0066】

ここで、配管１０の内部に流速分布の偏りが生じている場合や、配管１０の下部にドレンが生じている場合も想定される。このような場合において、例えば、複数の計測線のうち、配管１０の断面内で流速分布の偏りが生じていない方向（偏流が生じていない方向）あるいはドレンが生じていない方向において超音波の送受信を行うことで安定した計測を行うことが可能となる。また、複数の計測線を用いることで偏流や旋回流等のようにエラーが大きい結果を予め排除することが可能となったり、複数の計測結果を平均化することで計測精度を向上させることもできる。

【0067】

本実施形態では、流量計測を行うに先立ち、配管１０の内部に流速分布の偏り（歪）を判定する（判定ステップ）。制御部２は、各々の超音波トランスデューサ１を駆動させ、該超音波トランスデューサ１が取得した超音波の空間分布を取得する。制御部２は、複数の超音波トランスデューサ１から取得したデータに基づいて、配管１０の内部を流れる蒸気の流速分布に偏りが生じている計測線を求める。すなわち、制御部２は、配管１０の内部を流れる蒸気の流速分布の偏りを判定する特許請求の範囲に記載の判定部を構成する。

【0068】

制御部２は、該流速分布の判定結果に基づいて、計測に用いる超音波トランスデューサ１を選択する。すなわち、制御部２は、計測に用いる超音波トランスデューサ１を選択する特許請求の範囲に記載の選択部を構成する。

【0069】

制御部２は、例えば、配管１０の断面内で流速分布の偏りが生じていない方向あるいはドレンが生じていない方向、最も超音波信号の受信強度が強い方向において超音波の送受信可能な超音波トランスデューサ１を複数の中から選択する。そして、制御部２は、選択した超音波トランスデューサ１を駆動する。

【0070】

選択された超音波トランスデューサ１は、第１素子２１の発振面２１ａから配管１０の内部に向けて超音波を発振し、発振面２１ａに対向配置された第２素子２２の受信面２２ａで良好に受信する。

【0071】

受信面２２ａで受信した信号は制御部２へと送信される。制御部２は、送信された信号をＡ／Ｄ変換機等の変換器４３（図４参照）によりデジタル変換し、ＣＰＵ４４（図４参照）に取り込む。

【0072】

制御部２は、タフト法により超音波トランスデューサ１が取得した超音波の空間分布を用いて、メモリ４５（図４参照）に記憶された情報から配管１０の内部を流れる蒸気の流量を算出する（流量算出工程）。

【0073】

以上述べたように、本実施形態によれば、超音波を用いることで、配管１０の内部を流れる蒸気の流量を、該配管１０を破壊することなく、簡便且つ精度良く求めることができる。
また、本実施形態の流量計測装置１００は、従来、計測することが難しかった、小口径（例えば、径が４インチ以下）の配管１０内を流れる蒸気（圧力が８気圧以下）の流量を高精度で計測することが可能である。

【0074】

以上、本発明の一実施形態について説明したが、上記実施形態に限定されることはなく、発明の主旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。

【0075】

例えば、上記実施形態では、配管１０の中心に超音波を集束させる収束手段として、超音波を発振する発振面２１ａを配管１０の表面１０ａに対応した曲面とする態様を例示したが、本発明はこれに限定されることはない。例えば、収束手段として音響レンズを用い、超音波を配管１０の中心に収束させるようにしてもよい。

【0076】

また、上記実施形態では、タフト法により流量計測を行う場合を例に挙げたが、本発明はこれに限定されず、上記流量計測装置１００、１０１を時間差法により流量計測を行う場合に適用することも可能である。

【0077】

時間差法においては、第１素子２１および第２素子２２は、それぞれ超音波の送信および受信を行う。また、時間差法において、第１素子２１および第２素子２２は、図９に示すように、配管１０の管軸方向に対して斜めに設置される。第１素子２１における超音波の送受信面２１ａ´は、配管１０の管軸方向と交差する面Ａ内において、超音波Ｐの送受信を行う。また、第２素子２２における超音波の送受信面２２ａ´は、配管１０の管軸方向と交差する面Ａ内において、超音波Ｐの送受信を行う。

【0078】

本構成においても、送受信面２１ａ´、２２ａ´がそれぞれ配管１０の表面１０ａに対応した曲面、すなわち面Ａと平行な面内において断面形状が楕円となる曲面を有している。このような曲面を有した第１素子２１および第２素子２２を用いれば、時間差法を用いた場合であっても、配管１０の内部に対して超音波Ｐの送受信を良好に行うことができるので、配管１０内を流れる蒸気の流速計測を精度良く行うことができる。

【0079】

なお、時間差法においても、例えば、図３に示したように、配管１０と超音波トランスデューサ１との隙間にスペーサー部材を配置するようにしてもよい。ここで、サイズの異なる複数のスペーサー部材を用意することで、時間差法であっても外径が異なる種々の配管１０に対して流量計測を行うことが可能な汎用性に優れた計測が可能な装置が提供される。

【0080】

また、上述のように外径の異なる配管１０に対して流量計測を行う際、スペーサー部材１３に代えて、超音波トランスデューサ１として可撓性を有したものを用いればよい。このようにすれば、超音波トランスデューサ１は、容易に折り曲げ可能であるので、表面１０ａの曲率に応じて折り曲げることで配管１０の外径によらず表面１０ａに沿って確実に設置することが可能となる。よって、外径が異なる種々の配管１０に対して流量計測を行うことが可能な汎用性に優れたものとなる。

【0081】

また、上記実施形態では、配管１０が制振材１１で覆われた構成を例に挙げたが、これに限定されることは無い。例えば、制御部２が配管１０を伝搬する音波によるノイズ成分を考慮して超音波トランスデューサ１から送信されるデータを補正する態様であれば、配管１０の表面１０ａを制振材１１で被覆しなくてもよい。

【0082】

また、上記実施形態では、気体として配管内を流れる蒸気の流量を計測する場合を例に挙げたが、本発明はこれに限定されず、配管内を流れる空気の流量を計測する場合にも適用可能である。また、配管内を流れる気体がフロン、アンモニア、ＬＮＧ（Liquefied Natural Gas）等であってもよく、これら流体の流量を計測する場合にも本発明は適用可能である。

【符号の説明】

【0083】

１…超音波トランスデューサ、２…加熱部（熱交換器、加熱装置）、３…温度計測部、２…制御部（流量算出部、判定部、選択部）、１０…配管、１０ａ…表面、１１…制振材、１３，２３…スペーサー部材、２１…第１素子（超音波発振部）、２１ａ…発振面、２２…第２素子（超音波受信部）、２２ａ…受信面、１００，１０１…流量計測装置。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】