特許 6762013 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】6762013

(24)【登録日】2020年9月10日

(45)【発行日】2020年9月30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 20060101AFI20200917BHJP

【ＦＩ】

   G01F1/66 A

【請求項の数】14

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2016-219155(P2016-219155)

(22)【出願日】2016年11月9日

(65)【公開番号】特開2018-77141(P2018-77141A)

(43)【公開日】2018年5月17日

【審査請求日】2019年8月22日

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 （１）一般社団法人 日本機械学会 第２１回動力・エネルギー技術シンポジウム、ウェブサイト（平成２８年０６月０６日に公開）。 （２）一般社団法人 日本機械学会 第２１回動力・エネルギー技術シンポジウム、講演論文集（ＵＳＢ論文集） （平成２８年０６月１６日に頒布）。 （３）一般社団法人 日本機械学会 第２１回動力・エネルギー技術シンポジウム、平成２８年０６月１６−１７日開催（平成２８年０６月１６日に口頭発表）。

(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

(72)【発明者】

【氏名】梅沢 修一

(72)【発明者】

【氏名】杉田 勝彦

(72)【発明者】

【氏名】木倉 宏成

(72)【発明者】

【氏名】川口 達也

(72)【発明者】

【氏名】塚田 圭祐

【審査官】 森 雅之

(56)【参考文献】

【文献】 特許第６５８２３６８（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特許第３４７３４９１（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 米国特許第３２０４４５６（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開昭５５−１０１８１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭５５−１５０３１９（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開２００１−７４７５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２７０８８２（ＪＰ，Ａ）

(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】

タフト法を用いて配管の内部を流れる高温流体の流量を計測する流量計測装置であって、
前記配管の表面に設置され、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、前記超音波を受信する超音波受信部と、を有する超音波トランスデューサと、
前記超音波受信部の受信結果に基づいて、前記高温流体の流量を算出する流量算出部と、を備え、
前記超音波受信部は、前記配管の軸方向に沿って並ぶ三つ以上の受信センサーを含み、
前記流量算出部は、少なくとも一つの前記受信センサーの検出値を、所定の基準温度に対応した値に補正し、補正後の検出値を用いて前記高温流体の流量を算出する
ことを特徴する流量計測装置。

【請求項2】

前記三つ以上の受信センサーの温度を検出する温度検出部をさらに備え、
前記流量算出部は、前記温度検出部の検出結果に基づいて前記所定の基準温度を設定する
ことを特徴とする請求項１に記載の流量計測装置。

【請求項3】

前記流量算出部は、前記三つ以上の受信センサーのうち前記軸方向の両端に位置する二つの受信センサーの少なくとも一方の温度から前記所定の基準温度を設定し、該二つの受信センサーに挟まれた前記受信センサーの検出値を補正する
ことを特徴とする請求項２に記載の流量計測装置。

【請求項4】

前記流量算出部は、前記三つ以上の受信センサーのうち前記所定の基準温度よりも温度が高いセンサーの検出値を補正する
ことを特徴とする請求項２に記載の流量計測装置。

【請求項5】

前記超音波受信部は、前記三つ以上の受信センサーをユニット化した構造からなる
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の流量計測装置。

【請求項6】

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
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の流量計測装置。

【請求項7】

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
ことを特徴とする請求項６に記載の流量計測装置。

【請求項8】

タフト法を用いて配管の内部を流れる高温流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を受信する超音波受信部とを有する超音波トランスデューサを前記配管の表面に設置するとともに、前記超音波受信部の受信結果に基づき、前記高温流体の流量を算出する流量算出工程を備え、
前記超音波受信部は、前記配管の軸方向に沿って並ぶ三つ以上の受信センサーを含み、
前記流量算出工程は、少なくとも一つの前記受信センサーの検出値を、所定の基準温度に対応した値に補正し、補正後の検出値に基づいて前記高温流体の流量を算出する補正ステップを含む
ことを特徴とする流量計測方法。

【請求項9】

前記流量算出工程は、前記三つ以上の受信センサーの温度を検出する温度検出ステップをさらに含み、
前記補正ステップにおいては、前記温度検出ステップの検出結果に基づいて前記所定の基準温度を設定する
ことを特徴とする請求項８に記載の流量計測方法。

【請求項10】

前記補正ステップにおいては、前記三つ以上の受信センサーのうち前記軸方向の両端に位置する二つの受信センサーの少なくとも一方の温度から前記所定の基準温度を設定し、該二つの受信センサーに挟まれた前記受信センサーの検出値を補正する
ことを特徴とする請求項９に記載の流量計測方法。

【請求項11】

前記補正ステップにおいては、前記三つ以上の受信センサーのうち前記所定の基準温度よりも温度が高いセンサーの検出値を補正する
ことを特徴とする請求項９に記載の流量計測方法。

【請求項12】

前記超音波受信部として、前記三つ以上の受信センサーをユニット化した構造からなるものを用いる
ことを特徴とする請求項８乃至１１のいずれか一項に記載の流量計測方法。

【請求項13】

流量算出工程においては、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たものを用いる
ことを特徴とする請求項８乃至１２のいずれか一項に記載の流量計測方法。

【請求項14】

前記収束手段として、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ものを用いる
ことを特徴とする請求項１３に記載の流量計測方法。

【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、タフト法を用いた超音波流量計測手法によって配管内を流れる流体の流量を算出する技術がある（例えば、下記特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１６−２４１３１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、上記従来技術において、超音波の検出に用いるセンサー素子は高温になると感度低下を引き起こすおそれがあった。そのため、配管内を蒸気等の高温流体が流れる場合、温度によるセンサー素子の感度低下によって超音波を良好に検出できず、高温流体の流量を精度良く計測することは難しかった。

【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、高温流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、タフト法を用いて配管の内部を流れる高温流体の流量を計測する流量計測装置であって、前記配管の表面に設置され、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、前記超音波を受信する超音波受信部と、を有する超音波トランスデューサと、前記超音波受信部の受信結果に基づいて、前記高温流体の流量を算出する流量算出部と、を備え、前記超音波受信部は、前記配管の軸方向に沿って並ぶ三つ以上の受信センサーを含み、前記流量算出部は、少なくとも一つの前記受信センサーの検出値を、所定の基準温度に対応した値に補正し、補正後の検出値を用いて前記高温流体の流量を算出する流量計測装置が提供される。

【0007】

上記第１態様においては、前記三つ以上の受信センサーの温度を検出する温度検出部をさらに備え、前記流量算出部は、前記温度検出部の検出結果に基づいて前記所定の基準温度を設定する構成としてもよい。

【0008】

上記第１態様においては、前記流量算出部は、前記三つ以上の受信センサーのうち前記軸方向の両端に位置する二つの受信センサーの少なくとも一方の温度から前記所定の基準温度を設定し、該二つの受信センサーに挟まれた前記受信センサーの検出値を補正する構成としてもよい。

【0009】

上記第１態様においては、前記流量算出部は、前記三つ以上の受信センサーのうち前記所定の基準温度よりも温度が高いセンサーの検出値を補正する構成としてもよい。

【0010】

上記第１態様においては、前記超音波受信部は、前記三つ以上の受信センサーをユニット化した構造からなる構成としてもよい。

【0011】

上記第１態様においては、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構成としてもよい。

【0012】

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構成としてもよい。

【0013】

本発明の第２態様に従えば、タフト法を用いて配管の内部を流れる高温流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を受信する超音波受信部とを有する超音波トランスデューサを前記配管の表面に設置するとともに、前記超音波受信部の受信結果に基づき、前記高温流体の流量を算出する流量算出工程を備え、前記超音波受信部は、前記配管の軸方向に沿って並ぶ三つ以上の受信センサーを含み、前記流量算出工程は、少なくとも一つの前記受信センサーの検出値を、所定の基準温度に対応した値に補正し、補正後の検出値に基づいて前記高温流体の流量を算出する補正ステップを含む流量計測方法が提供される。

【0014】

上記第２態様においては、前記流量算出工程は、前記三つ以上の受信センサーの温度を検出する温度検出ステップをさらに含み、前記補正ステップにおいては、前記温度検出ステップの検出結果に基づいて前記所定の基準温度を設定してもよい。

【0015】

上記第２態様においては、前記補正ステップにおいては、前記三つ以上の受信センサーのうち前記軸方向の両端に位置する二つの受信センサーの少なくとも一方の温度から前記所定の基準温度を設定し、該二つの受信センサーに挟まれた前記受信センサーの検出値を補正してもよい。

【0016】

上記第２態様においては、前記補正ステップにおいては、前記三つ以上の受信センサーのうち前記所定の基準温度よりも温度が高いセンサーの検出値を補正してもよい。

【0017】

上記第２態様においては、前記超音波受信部として、前記三つ以上の受信センサーをユニット化した構造からなるものを用いてもよい。

【0018】

上記第２態様においては、流量算出工程においては、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たものを用いてもよい。

【0019】

上記第２態様においては、前記収束手段として、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ものを用いてもよい。

【発明の効果】

【0020】

本発明によれば、高温流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】

【0021】

【図1】流量計測装置の概略構成を示す図である。

【図2】配管の管軸方向に沿った超音波トランスデューサの断面図である。

【図3】配管の管軸方向から視た超音波トランスデューサの断面図である。

【図4】制御部の構成を示す模式図である。

【図5】メモリに保持されるデータの一例のグラフを示した図である。

【図6】熱の影響を考慮した場合に算出される信号強度曲線を示した図である。

【図7】スペーサー部材の構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下、本発明の一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高温流体（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、配管内を流れる高温流体の流量を、超音波を利用して計測する装置である。

【0023】

従来から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、超音波を用いて外側から計測する計測方法は行われていた。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配管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。

【0024】

上述のクランプオン方式により配管内の流体の流量を計測する際、超音波の送受信経路は、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。固体及び液体では、密度比および音速比が数倍から１０倍程度となっている。

【0025】

一方、配管の内部を流れる流体（例えば、蒸気）の流量を、超音波を用いて計測する場合、固体および流体（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、配管内を流れる流体の流量をクランプオン方式で計測することは困難とされていた。

【0026】

そのため、配管内を流れる高温流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従来は一般的であった。
このように超音波発振子および受信子を配管内に設置する場合、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となる。

【0027】

そこで、汎用性に優れ、異なる計測条件下においても、配管内を流れる高温流体の流量を計測できる新たな技術の提供が望まれている。
発明者らは、配管内を流れる高温流体の流量と該流量に対応した超音波の音響強度分布の空間移動量との間に相関関係が存在するとの知見を得た。

【0028】

本発明者らは、タフト法による超音波流量計測手法を用いて上述の相関関係を導き出した。タフト法は、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。そのため、界面での反射、屈折が抑制されるので、配管内部に超音波が良好に入射できる。

【0029】

このような知見に基づき、本発明者らは本実施形態の流量計測装置を完成させた。
本実施形態の流量計測装置では、上記相関関係を規定した複数種類のデータ（グラフ）を予め作成し、測定対象となる配管内で上記空間移動量を実測することで、上記データに基づいて配管内を流れる高温流体の流量を簡便に算出可能とした。以下、本実施形態に係る流量計測装置の構成について説明する。

【0030】

図１は本発明の一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。
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。

【0031】

図２は配管１０の管軸方向に沿った断面による超音波トランスデューサ１の概略構成を示す図である。図３は配管１０の管軸方向から視た断面による超音波トランスデューサ１の概略構成を示す図である。

【0032】

図２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る（クランプオン方式）。超音波トランスデューサ１は、超音波発振センサー２１と超音波受信センサー２６とを有する。

【0033】

本実施形態において、超音波発振センサー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。超音波受信センサー２６は、超音波発振センサーが発振した超音波Ｐを受信する超音波受信部として機能する。
なお、以下、図２において、配管１０内に蒸気の流れが生じていない場合に配管１０の内部を伝搬する超音波Ｐを超音波Ｐ１と示し、配管１０内に蒸気の流れが生じている場合に配管１０の内部を伝搬する超音波Ｐを超音波Ｐ２と示す。

【0034】

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。中心周波数が数十ＫＨz以上、例えば数百ＫＨｚ以上とすると、環境雑音の影響を低下できるという利点がある。中心周波数を数ＭＨｚ以下とすると、超音波の空気中での減衰率を低下でき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。

【0035】

本実施形態の超音波発振センサー２１および超音波受信センサー２６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ている。

【0036】

本実施形態において、例えば、超音波発振センサー２１は、図３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。

【0037】

本実施形態において、超音波受信センサー２６は、配管１０の軸方向に沿って並ぶ三つ以上の受信センサーを含む。超音波受信センサー２６は、第１受信センサー２３、第２受信センサー２４および第３受信センサー２５（以下、各センサー２３〜２５と称す場合もある）をユニット化した構造からなる。ここで、ユニット化とは、例えば、所定のピッチで配置した各センサー２３〜２５を共通の筐体内に収容した構造である。このようにユニット化することで超音波受信センサー２６を配管１０の表面１０ａに配置する際、各センサー２３〜２５間のアライメントが不要となる。そのため、超音波受信センサー２６と超音波発振センサー２１との位置合わせが容易となるとともに、超音波受信センサー２６による超音波の検出を精度良く行うことができる。

【0038】

各センサー２３〜２５は、蒸気の流れの上流から下流に向かうように配管１０の表面１０ａに順に設置されている。本実施形態において、各センサー２３〜２５として、例えば圧電素子から構成されたものを用いた。

【0039】

本実施形態において、超音波トランスデューサ１は温度検出部２７をさらに備えている。
温度検出部２７は、各センサー２３〜２５の温度を検出可能である。温度検出部２７は制御部２に電気的に接続されており、検出結果を制御部２に送信する。

【0040】

第１受信センサー２３、第２受信センサー２４および第３受信センサー２５は、それぞれ同一構造を有し、図３に示すように、超音波を受信する受信面２３ａ、２４ａ、２５ａ（以下、これらを総称して受信面２６ａと称すこともある）がそれぞれ配管１０の表面１０ａに対応した曲面（断面が円形）となっている。これにより、配管１０を透過した超音波は受信面２６ａに良好に入射することとなる。

【0041】

本実施形態では、図２、３に示したように、配管１０の一部を制振材１１で覆うようにしている。制振材１１は、超音波トランスデューサ１（超音波発振センサー２１および超音波受信センサー２６）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る。

【0042】

上記制振材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。

【0043】

制振材１１を使用することで配管１０内を伝搬する音波が減少し、曲面センサー（超音波受信センサー２６）に到達するノイズ成分がより減少する。したがって、本実施形態の流量計測装置１００によれば、超音波信号をより精度良く計測可能である。

【0044】

まず、第１受信センサー２３、第２受信センサー２４および第３受信センサー２５が熱の影響を受けない理想的な状態について説明する。

【0045】

図２に示したように、配管１０内に蒸気の流れが生じていない場合、超音波発振センサー２１が発信した超音波Ｐ１は蒸気の影響を受けずに配管１０の内部を略まっすぐ進んで超音波受信センサー２６に受信される。

【0046】

超音波受信センサー２６において、第２受信センサー２４の受信した信号の強度は最も高く、第１受信センサー２３および第３受信センサー２５の受信した信号の強度は略同等となる。

【0047】

一方、配管１０内に蒸気が流れている場合、超音波発振センサー２１から発信された超音波Ｐ２は、配管１０の内部の蒸気の流れにより斜めに進みながら超音波受信センサー２６に受信される。そのため、超音波受信センサー２６においては、蒸気の流れが存在する場合に比べ、第１受信センサー２３および第２受信センサー２４によって受信される信号強度が下がり、第３受信センサー２５によって受信される信号強度が上がる。
超音波受信センサー２６の受信結果は制御部２に送信される。

【0048】

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から送信されるデータが、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。

【0049】

制御部２のメモリ４５は、第１受信センサー２３、第２受信センサー２４および第３受信センサー２５が受信した超音波信号を補間することで予め算出した基準信号強度曲線（音響強度分布）Ｐａを記憶している（図２参照）。なお、基準信号強度曲線Ｐａは、第２受信センサー２４に対応した位置において信号強度のピーク（最大値）を持っている。

【0050】

制御部２のＣＰＵ４４は、各センサーが受信した超音波信号を補間して信号強度曲線（音響強度分布）Ｐｂを算出する。信号強度曲線Ｐｂは、基準信号強度曲線Ｐａに比べて、信号強度のピーク位置（図２中横方向の座標）が配管１０の下流側に移動している。

【0051】

本実施形態において、ＣＰＵ４４は、信号強度曲線Ｐｂの基準信号強度曲線Ｐａに対する信号強度のピーク位置の移動量（超音波の音響強度分布の空間移動量ΔＸ）を計測する（図２参照）。この計測値（空間移動量ΔＸ）は、後述のように蒸気流量を算出するデータとして利用される。

【0052】

ここで、信号強度のピーク位置の移動量（空間移動量ΔＸ）は、配管１０の内部における蒸気流量に応じて変化する。すなわち、信号強度のピーク位置の移動量は、蒸気流量との間に所定の相関性を有している。

【0053】

ＣＰＵ４４は、上記空間移動量ΔＸ及び後述のようにメモリ４５に保持されたデータ（空間移動量ΔＸと蒸気流量との相関性を規定したグラフ）に基づいて、配管１０の内部を流れる蒸気の流量を算出する。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。

【0054】

メモリ４５は、配管内部を流れる蒸気の流量と、該流量に対応した超音波の音響強度分布の空間移動量ΔＸとの関係を規定したデータを保持するデータ保持部を構成する。

【0055】

以下、メモリ４５に保持される、配管内部を流れる蒸気流量と蒸気流量に対応した超音波の音響強度分布の空間移動量との関係を規定したデータについて説明する。

【0056】

図５はメモリ４５に保持されるデータの一例としてのグラフを示す図である。図５に示すグラフにおいて、横軸は蒸気流量（単位：ｍ^３／ｈ）を示し、縦軸は超音波の音響強度分布（超音波の信号強度のピーク値）の空間移動量ΔＸ（単位：μｍ）を示す。

【0057】

本実施形態において、蒸気流量と空間移動量との関係は、図５に示すように線形性を示すグラフで規定される。

【0058】

図５に示したグラフは、所定サイズの配管（例えば、配管１０と同じ材質、外径、内径のもの）内を流れる蒸気を、超音波流量計および渦流量計で同時に計測することで作成される。超音波流量計は、タフト法により、蒸気の流れによる超音波の音響強度分布の空間移動量に関するデータを取得する（図２参照）。渦流量計は、配管内の蒸気流量に関するデータを取得する。このようにして取得したデータをそれぞれプロットすることで上記グラフを作成することができる。

【0059】

メモリ４５には、サイズの異なる配管に対応して作成された、蒸気流量と空間移動量との相関関係を規定するデータ（グラフ）が多数保持されている。

【0060】

なお、上記グラフを作成する際、超音波トランスデューサ１（曲面センサー）を有した超音波流量計を用いるのが好ましい。超音波トランスデューサ１を構成する超音波発振センサー２１が曲面センサーから構成されるため、超音波を配管の中心で収束させることができる。
よって、配管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、超音波受信センサー２６が曲面センサーから構成されるため、配管の中心に収束した超音波を良好に受信することができる。これにより、信頼性の高いグラフを作成可能となる。

【0061】

また、上記グラフを作成する際、測定対象の配管に制振材を設置するのが好ましい。このようにすれば、配管内を伝搬する音波が減少するため、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。よって、信頼性の高いグラフを作成可能となる。

【0062】

ところで、上記説明において、各センサー２３〜２５は熱の影響を受けないものとした。しかしながら、実際、配管１０の表面１０ａの温度は、内部を流れる蒸気の影響を受けて非常に高温となる。各センサー２３〜２５には配管１０を介して熱が伝達される。

【0063】

本実施形態において、超音波受信センサー２６は、各センサー２３〜２５をユニット化した構造からなるため、各センサー２３〜２５は近接した状態に配置される。ここで、第２受信センサー２４は二つのセンサー（第１受信センサー２３及び第３受信センサー２５）に挟まれるため、熱が籠ることで温度が上昇し易い。一方、第１受信センサー２３及び第３受信センサー２５は配管１０の軸方向の一方側から放熱するので熱が籠り難く、第２受信センサー２４に比べて低温となる。

【0064】

すなわち、超音波受信センサー２６において、各センサー２３〜２５間の温度に差が生じている。なお、各センサー２３〜２５を構成する圧電素子は、動作温度に応じて検出感度が変化する。そのため、比較的低温となる第１受信センサー２３及び第３受信センサー２５は所望の検出感度を実現できるものの、比較的高温となる第２受信センサー２４は検出感度の低下を招く。すなわち、超音波受信センサー２６において、第１受信センサー２３及び第３受信センサー２５と第２受信センサー２４と間の検出感度に差が生じる。

【0065】

図６は配管１０による熱の影響を考慮した場合に超音波受信センサー２６によって算出される信号強度曲線を示す図である。なお、図６には、基準信号強度曲線Ｐａも図示している。

【0066】

図６に示すように、超音波受信センサー２６は、各センサー２３〜２５の検出結果（超音波信号）を補間して信号強度曲線Ｐｃを算出する。上述のように超音波受信センサー２６では、第２受信センサー２４の検出感度が相対的に低下しているため、信号強度曲線Ｐｃは下方に凸の曲線となる。すなわち、信号強度曲線Ｐｃは、基準信号強度曲線Ｐａの信号強度のピーク位置を配管１０の下流側に移動させた信号強度曲線Ｐｂ（図２参照）とは異なったものとなる。

【0067】

したがって、信号強度曲線Ｐｃを用いた場合、該信号強度曲線Ｐｃにおける基準信号強度曲線Ｐａに対する信号強度のピーク位置の移動量（空間移動量ΔＸ）を精度良く計測することは難しい。このように各センサー２３〜２５間に温度差が生じると、配管１０内を流れる蒸気の流量を良好に計測できないおそれがある。
なお、後述する信号強度曲線Ｐｄは、第２受信センサー２４の検出感度が低下していない場合、すなわち、各センサー間に温度差が生じていない場合の信号強度曲線に相当する。

【0068】

そこで、本実施形態の流量計測装置１００では、各センサー２３〜２５のうち最も高温となる第２受信センサー２４の検出値を基準温度に対応した値に補正することで空間移動量ΔＸを算出するようにした。

【0069】

ここで、基準温度に対応した検出値とは、基準温度に対応した検出感度のセンサーを用いた場合に取得される値である。なお、基準温度は、センサーの検出感度に影響を及ぼさない温度に設定される。すなわち、センサーの温度が基準温度以下であれば、超音波を良好に検出可能であることを意味する。

【0070】

ＣＰＵ４４は、温度検出部２７から送信される各センサー２３〜２５の検出結果（温度情報）に基づいて、上記基準温度を設定する。本実施形態において、第１受信センサー２３及び第３受信センサー２５の温度は略同一とみなせる。そのため、ＣＰＵ４４は、例えば、第１受信センサー２３の温度を基準温度として設定する。なお、ＣＰＵ４４は、第１受信センサー２３及び第３受信センサー２５の両方の平均値を上記基準温度として設定しても良い。

【0071】

ＣＰＵ４４は、第２受信センサー２４の温度と該温度に対応した検出値との関係を規定したデータに基づいて、第２受信センサー２４の検出値を補正する。このような第２受信センサー２４の温度と該温度に対応した検出値との関係を規定したデータは、上記メモリ４５に保持されている。このように、メモリ４５に保持されたデータを参照することで、第２受信センサー２４の検出値を基準温度に対応した検出感度にて取得される値に補正できる。

【0072】

このように本実施形態の流量計測装置１００によれば、熱の影響により検出感度が低下した第２受信センサー２４による検出値を検出感度が低下していない場合に取得可能な値に補正することで所望の形状の信号強度曲線を算出できる。これにより、各センサー２３〜２５間において検出感度に差が生じていない場合と同様の信号強度曲線Ｐｄを算出することができる。すなわち、信頼性の高い信号強度曲線Ｐｄを算出することができる。

【0073】

したがって、蒸気等の高温流体が配管１０内を流れる場合であっても、上記のような信頼性の高い信号強度曲線Ｐｄを用いることで空間移動量ΔＸを算出できるので、流量計測を精度良く行うことができる。

【0074】

続いて、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。

【0075】

続いて、制御部２は超音波トランスデューサ１を駆動し、超音波発振センサー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。本実施形態では、超音波発振センサー２１が配管１０の表面１０ａに対応した曲率の発振面２１ａを有するため、超音波が配管１０の中心に収束する。よって、配管１０の曲率に影響される屈折や反射を抑えることができる。

【0076】

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超音波受信センサー２６により受信される。このとき、超音波受信センサー２６は、該超音波受信センサー２６の検出結果を制御部２に送信する。また、温度検出部２７は、該温度検出部２７の検出結果を制御部２に送信する。

【0077】

制御部２は、必要に応じて上記検出結果を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。

【0078】

ＣＰＵ４４は、各センサー２３〜２５が受信した超音波信号を補間して信号強度曲線を算出する。このとき、ＣＰＵ４４は、信号強度曲線を算出するに先立ち、各センサー２３〜２５のうち、二つのセンサー２３，２５に挟まれた第２受信センサー２４の検出値を基準温度に対応した値に補正する。

【0079】

ＣＰＵ４４は、各センサー２３〜２５のうち、基準温度（第１受信センサー２３の温度）よりも高い温度となる第２受信センサー２４の検出値を補正する。
ＣＰＵ４４は、メモリ４５に保持されたデータ（第２受信センサー２４の温度と該温度に対応した検出値との関係を規定したデータ）の中から基準温度に対応する値を読み出し、第２受信センサー２４の検出値を読み出した値に変更（補正）する（補正ステップ）。

【0080】

これにより、ＣＰＵ４４は、各センサー２３〜２５間において検出感度に差が生じていない場合において算出される信号強度曲線と同様、信頼性の高い曲線を取得することができる。よって、ＣＰＵ４４は、信頼性の高い信号強度曲線Ｐｄ（図６参照）を用いることで、超音波の音響強度分布の空間移動量ΔＸを精度良く算出できる。

【0081】

ＣＰＵ４４は、上記空間移動量ΔＸと、メモリ４５に保持されたデータの中から計測対象となる配管１０の種類（例えば、外径、内径、材質等）に対応するグラフ（例えば、図５に示したグラフ）を読み出し、該グラフから空間移動量ΔＸの値に対応する蒸気流量を算出する（流量算出工程）。

【0082】

以上述べたように、本実施形態によれば、第２受信センサー２４の検出値を補正することで算出した信頼性の高い空間移動量ΔＸと、メモリ４５に保持されたデータ（空間移動量と蒸気流量との相関性を規定したグラフ）とに基づいて、配管１０の内部を流れる蒸気の流量をタフト法によって簡便且つ精度良く求めることができる。
よって、蒸気等の高温流体の流量をタフト法により精度良く計測可能な流量計測装置１００および流量計測方法を提供できる。

【0083】

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。

【0084】

例えば、上記実施形態では、各センサー２３〜２５の温度を温度検出部２７で直接検出する場合を例に挙げたが、各センサー２３〜２５の温度をコンピューター解析によって算出しても良い。

【0085】

また、上記実施形態では、超音波受信センサー２６として、三つの受信センサー２３〜２５を配管１０の軸方向に配置したものを例に挙げたが、センサーの数はこれに限定されず、四つ以上の受信センサーを配置してもよい。この場合において、四つ以上の受信センサーのうち配管１０の軸方向の両端に位置する二つの受信センサーの少なくとも一方の温度から所定の基準温度を設定し、該二つの受信センサーに挟まれた受信センサーの検出値を補正する。すなわち、例えば、五つの受信センサーを配置した場合、両端に位置する二つの受信センサーの少なくとも一方の温度から所定の基準温度を設定し、該二つの受信センサーに挟まれた三つの受信センサーの検出値を補正すればよい。

【0086】

また、上記実施形態では、第１受信センサー２３の温度を基準温度として設定する場合を例に挙げたが、本発明はこれに限定されない。配管１０内を流れる蒸気の温度によっては、例えば、第１受信センサー２３及び第３受信センサー２５が検出感度の低下を招く温度に到達する状況もあり得る。この場合、第１受信センサー２３及び第３受信センサー２５のいずれか一方の温度を基準温度に設定すると、信号強度曲線及び空間移動量ΔＸを算出することができない。

【0087】

そこで、ＣＰＵ４４は常温（例えば、２０℃）を基準温度に設定し、基準温度よりも高い温度の受信センサーの検出値を補正するようにしても良い。このとき、各センサー２３〜２５の全てが基準温度よりも高い温度となるため、各センサー２３〜２５の全ての検出値を補正する。これにより、各センサー２３〜２５の全てにおいて検出感度が低下している場合であっても、信頼性の高い信号強度曲線を算出することで流量計測を精度良く行うことができる。

【0088】

また、上記実施形態では、発振面２１ａおよび受信面２６ａが表面１０ａに対応する態様として、発振面２１ａおよび受信面２６ａが表面１０ａと直接的に接触する態様を例に挙げたが、本発明はこれに限定されない。本発明は、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２６ａが表面１０ａに間接的に接触する態様であってもよい。

【0089】

図７はスペーサー部材の概略構成を示す図である。図７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２６ａ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。また、スペーサー部材１３を用いることによって配管１０の表面１０ａからの熱が各センサー２３〜２５に伝わり難くすることができる。よって、各センサー２３〜２５の温度上昇が低減されるので、温度上昇に伴う検出感度の低下が抑制される。

【0090】

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。

【0091】

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。

【0092】

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からの送信結果（空間移動量ΔＸ）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。

【0093】

また、上記実施形態では、上記超音波トランスデューサ１が曲率センサーから構成される場合を例に挙げたが、本発明はこれに限定されることは無く、超音波トランスデューサ１が平面センサーから構成されていても良い。

【0094】

また、上記実施形態では、高温流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、配管内を流れる高温の空気の流量を計測する場合にも適用可能である。また、配管内を流れる高温流体が例えば、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】

【0095】

Ｐ，Ｐ１，Ｐ２…超音波、１…超音波トランスデューサ、２…制御部（流量算出部）、１０…配管、１０ａ…表面、２１…超音波発振センサー（超音波発振部）、２１ａ…発振面、２２…超音波受信センサー（超音波受信部）、２３…第１受信センサー、２４…第２受信センサー、２５…第３受信センサー、２６…超音波受信センサー（超音波受信部）、１００…流量計測装置。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】