特開 2023-113206 超音波流量計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】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023113206

(43)【公開日】2023-08-16

(54)【発明の名称】超音波流量計および流量計測方法

(51)【国際特許分類】

   G01F 1/66 20220101AFI20230808BHJP

【ＦＩ】

G01F1/66 103

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022015389

(22)【出願日】2022-02-03

(71)【出願人】

【識別番号】000006666

【氏名又は名称】アズビル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100098394

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 茂樹

(72)【発明者】

【氏名】矢吹 紘久

(72)【発明者】

【氏名】東條 博史

【テーマコード（参考）】

2F035

【Ｆターム（参考）】

2F035DA05

2F035DA08

2F035DA09

2F035DA11

2F035DA12

2F035DA13

(57)【要約】

【課題】超音波流量計測の計測精度を改善する。
【解決手段】超音波流量計は、配管１０に取り付けられた超音波素子アレイ１１と、超音波素子アレイ１１から配管１０内に超音波を送信させる送信部１２と、超音波反射信号に基づいて流速プロファイルを生成する流速プロファイル生成部１４と、超音波反射信号の強度に基づいて反射信号強度プロファイルを生成する反射信号強度プロファイル生成部１５と、反射信号強度プロファイルに基づいて流体中の界面の位置を推定する界面推定部１６と、流速プロファイルと界面の位置とに基づいて流体の層毎に流量を算出する流量算出部１７を備える。送信部１２は、配管１０内の複数の方向に超音波を送信させる。流速プロファイル生成部１４は、複数の方向のうち少なくとも１つの方向に送信された超音波の反射信号に基づいて流速プロファイルを生成する。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

計測対象の流体が流れる配管と、
前記配管に取り付けられた超音波素子アレイと、
前記超音波素子アレイから前記配管内に超音波を送信させるように構成された送信部と、
前記流体中の反射体から受信した超音波反射信号に基づいて流速プロファイルを生成するように構成された流速プロファイル生成部と、
前記超音波反射信号の強度に基づいて反射信号強度プロファイルを生成するように構成された反射信号強度プロファイル生成部と、
前記反射信号強度プロファイルに基づいて前記流体中の界面の位置を推定するように構成された界面推定部と、
前記流速プロファイルと前記界面の位置とに基づいて前記流体の層毎に流量を算出するように構成された流量算出部とを備え、
前記送信部は、前記超音波素子アレイから前記配管内の複数の方向に超音波を送信させ、
前記流速プロファイル生成部は、前記複数の方向のうち少なくとも１つの方向に送信された超音波の反射信号に基づいて前記流速プロファイルを生成することを特徴とする超音波流量計。

【請求項2】

請求項１記載の超音波流量計において、
前記流速プロファイル生成部は、前記複数の方向のうち反射体が存在すると推定される既知の方向に送信された超音波の反射信号に基づいて前記流速プロファイルを生成することを特徴とする超音波流量計。

【請求項3】

請求項１または２記載の超音波流量計において、
前記超音波素子アレイの上流と下流のうち少なくとも一方に配置され、前記流体内に気泡を発生させるように構成された気泡発生器をさらに備えることを特徴とする超音波流量計。

【請求項4】

計測対象の流体が流れる配管に取り付けられた超音波素子アレイから前記配管内に超音波を送信させる第１のステップと、
前記流体中の反射体から受信した超音波反射信号に基づいて流速プロファイルを生成する第２のステップと、
前記超音波反射信号の強度に基づいて反射信号強度プロファイルを生成する第３のステップと、
前記反射信号強度プロファイルに基づいて前記流体中の界面の位置を推定する第４のステップと、
前記流速プロファイルと前記界面の位置とに基づいて前記流体の層毎に流量を算出する第５のステップとを含み、
前記第１のステップは、前記超音波素子アレイから前記配管内の複数の方向に超音波を送信させるステップを含み、
前記第２のステップは、前記複数の方向のうち少なくとも１つの方向に送信された超音波の反射信号に基づいて前記流速プロファイルを生成するステップを含む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、超音波を用いて流体の流量を計測する超音波流量計および流量計測方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

１つの超音波センサを用いて、流体中の超音波反射体（気泡など）からの反射信号に基づいて流速プロファイルを生成し、反射信号の受信強度に基づいて反射信号強度プロファイルを生成し、反射信号強度プロファイルに基づいて多相流体中の界面位置を特定して、流速プロファイルと界面位置とに基づいて、多相流体中の各流体の流量を計測する超音波流量計が提案されている（特許文献１参照）。

【0003】

特許文献１に開示された技術では、層毎の流量を計測できるが、１つの超音波センサを用いており、超音波の信号に指向性がないために複数の反射体から反射信号が得られ、異常値（ノイズ）に相当する信号も同時に取得してしまうという課題があった。流量計測の用途によっては、可能な限りの高精度な計測が要求されるケースがあり、常に改善が求められている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１６－１３６１０３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、超音波流量計測の計測精度を改善することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の超音波流量計は、計測対象の流体が流れる配管と、前記配管に取り付けられた超音波素子アレイと、前記超音波素子アレイから前記配管内に超音波を送信させるように構成された送信部と、前記流体中の反射体から受信した超音波反射信号に基づいて流速プロファイルを生成するように構成された流速プロファイル生成部と、前記超音波反射信号の強度に基づいて反射信号強度プロファイルを生成するように構成された反射信号強度プロファイル生成部と、前記反射信号強度プロファイルに基づいて前記流体中の界面の位置を推定するように構成された界面推定部と、前記流速プロファイルと前記界面の位置とに基づいて前記流体の層毎に流量を算出するように構成された流量算出部とを備え、前記送信部は、前記超音波素子アレイから前記配管内の複数の方向に超音波を送信させ、前記流速プロファイル生成部は、前記複数の方向のうち少なくとも１つの方向に送信された超音波の反射信号に基づいて前記流速プロファイルを生成することを特徴とするものである。

【0007】

また、本発明の超音波流量計の１構成例において、前記流速プロファイル生成部は、前記複数の方向のうち反射体が存在すると推定される既知の方向に送信された超音波の反射信号に基づいて前記流速プロファイルを生成することを特徴とするものである。
また、本発明の超音波流量計の１構成例は、前記超音波素子アレイの上流と下流のうち少なくとも一方に配置され、前記流体内に気泡を発生させるように構成された気泡発生器をさらに備えることを特徴とするものである。

【0008】

また、本発明の流量計測方法は、計測対象の流体が流れる配管に取り付けられた超音波素子アレイから前記配管内に超音波を送信させる第１のステップと、前記流体中の反射体から受信した超音波反射信号に基づいて流速プロファイルを生成する第２のステップと、前記超音波反射信号の強度に基づいて反射信号強度プロファイルを生成する第３のステップと、前記反射信号強度プロファイルに基づいて前記流体中の界面の位置を推定する第４のステップと、前記流速プロファイルと前記界面の位置とに基づいて前記流体の層毎に流量を算出する第５のステップとを含み、前記第１のステップは、前記超音波素子アレイから前記配管内の複数の方向に超音波を送信させるステップを含み、前記第２のステップは、前記複数の方向のうち少なくとも１つの方向に送信された超音波の反射信号に基づいて前記流速プロファイルを生成するステップを含むことを特徴とするものである。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、超音波素子アレイから配管内の複数の方向に超音波を送信させ、複数の方向のうち少なくとも１つの方向に送信された超音波の反射信号に基づいて流速プロファイルを生成することにより、超音波流量計測の計測精度を改善することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、本発明の第１の実施例に係る超音波流量計の構成を示すブロック図である。

【図2】図２は、本発明の第１の実施例に係る超音波流量計の動作を説明するフローチャートである。

【図3】図３は、本発明の第２の実施例に係る超音波流量計の構成を示すブロック図である。

【図4】図４は、本発明の第１、第２の実施例に係る超音波流量計を実現するコンピュータの構成例を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

［発明の原理］
特許文献１に開示された技術では、同時に複数（多数）の反射体から反射信号が得られるため、統計的な平均値として流量が計測されることになる。概ね均一に反射体が分布する計測対象を前提とするならば、統計的な信頼性はあるが、均一性が不十分であることを前提とするならば、異常値（ノイズ）に相当する信号要素が含まれる。ここに、計測精度を改善する余地があることを突き止めた。

【0012】

そして、発明者は、指向性があり方向調整可能なビームで超音波を送信できる素子を採用すれば、局所的な計測ができることに想到した。単一素子では、同時に複数の反射体から異常値相当の信号要素を取得してしまうが、指向性のある超音波を送信できる素子により、送信信号を特定（推定）可能な「信頼性の高い反射体の方向」に限定することができる。送信信号を特定の方向に限定することにより、反射体の位置特定が容易になり、単一素子と比較して正確な流速プロファイルを生成することが可能となることに想到した。また、反射体が均一に分布していないような場合でも、複数の方向に超音波を送信し、反射体からの反射信号が十分に得られる方向を一つ以上選択することで、流速プロファイルを作成することが可能である。

【0013】

本発明のように、流体中の反射体の分布の均一性が不十分であることを前提にできるのであれば、流体中の反射体が少ない場合に、超音波素子の近傍で例えば気泡発生器を用いて気泡を発生させて反射体として利用することも可能である。

【0014】

［第１の実施例］
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施例に係る超音波流量計の構成を示すブロック図である。超音波流量計は、計測対象の流体が流れる配管１０と、配管１０に取り付けられた超音波素子アレイ１１と、超音波素子アレイ１１から配管１０内に超音波を送信させる送信部１２と、超音波素子アレイ１１が受信した超音波反射信号を増幅する受信部１３と、超音波反射信号に基づいて流速プロファイルを生成する流速プロファイル生成部１４と、超音波反射信号の強度に基づいて反射信号強度プロファイルを生成する反射信号強度プロファイル生成部１５と、反射信号強度プロファイルに基づいて流体中の界面の位置を推定する界面推定部１６と、流速プロファイルと界面の位置とに基づいて流体の層毎に流量を算出する流量算出部１７と、流量算出部１７による算出結果を出力する出力部１８とを備えている。

【0015】

超音波素子アレイ１１は、配管１０の外側に取り付けられる（クランプオン方式）。この場合、超音波素子アレイ１１から送出された超音波は、配管１０の管壁を透過して配管１０内の流体に入射し、流体中の気泡などの反射体２０からの超音波反射信号が管壁を透過して超音波素子アレイ１１に到達する。ただし、超音波素子アレイ１１が配管１０の内側に露出する取り付け方法を採用してもよい。

【0016】

超音波素子アレイ１１は、超音波を送受信することが可能な複数の超音波素子が１次元または２次元に配置された構成からなる。各超音波素子から放射される超音波に位相差を持たせることで超音波を干渉させ、超音波ビームの形成が可能となる。また、位相差を調整することによって超音波ビームを任意の方向に伝搬させることもできる。超音波ビームを形成することで、特定の反射体２０を狙うことができ、配管１０の軸と超音波ビームの軸とのなす角（例えば図１中のθ₁、θ₂）を制御することで、配管１０内の特定の方向にある反射体２０を狙って超音波反射信号を取得することが可能となる。

【0017】

図２は本実施例の超音波流量計の動作を説明するフローチャートである。送信部１２は、超音波素子アレイ１１に対して駆動用のパルス信号を供給する。これにより、超音波素子アレイ１１は、送信部１２からのパルス信号に応じて、配管１０内を流れる流体に対して超音波を送信する（図２ステップＳ１００）。このとき、送信部１２は、超音波素子アレイ１１の各超音波素子に与えるパルス信号に位相差を与えることで超音波の送信方向を制御する。

【0018】

超音波素子アレイ１１は、超音波反射信号を受信する。受信部１３は、超音波素子アレイ１１が受信した超音波反射信号を増幅して出力する（図２ステップＳ１０１）。
次に、送信部１２は、超音波の送信方向を変更する（図２ステップＳ１０２）。こうして、ステップＳ１００～Ｓ１０２の処理を繰り返し実行し、複数の方向（例えば図１の角度θ₁，θ₂，θ₃の方向）に超音波を送信する。

【0019】

予め定められた複数の方向について超音波の送受信が終了した後に（図２ステップＳ１０３においてＹＥＳ）、反射信号強度プロファイル生成部１５は、予め定められた界面判定用の方向に超音波を送信した時刻から超音波反射信号を受信した時刻までの伝搬時間と、その超音波反射信号の強度とに基づいて、反射信号強度プロファイルを生成する（図２ステップＳ１０４）。

【0020】

伝搬時間は、超音波素子アレイ１１から反射体２０までの距離、すなわち反射体２０の配管１０内の径方向の位置に対応する。反射体２０による反射は、配管１０内の各所で起こるため、配管１０内の径方向について反射信号強度分布を表す反射信号強度プロファイルを得ることができる。本実施例では、例えば超音波素子アレイ１１の直上の方向（図１の角度θ₃の方向）を、界面判定用の方向とする。

【0021】

続いて、流速プロファイル生成部１４は、予め定められた特定の流速プロファイル生成用の方向に超音波を送信した時刻から超音波反射信号を受信した時刻までの伝搬時間と、超音波反射信号の周波数の変化量とに基づいて、流速プロファイルを生成する（図２ステップＳ１０５）。

【0022】

上記のとおり、伝搬時間は、反射体２０の配管１０内の径方向の位置に対応する。反射体２０からの超音波反射信号は、ドップラー効果により、反射体２０の移動速度に応じて周波数が変化するため、周波数の変化量を検出することで、配管１０内を流れる流体の速度を求めることができる。反射体２０による反射は、配管１０内の各所で起こるため、配管１０内の径方向についての流体の流速プロファイルを求めることができる。

【0023】

なお、本実施例では、流速プロファイルをドップラー法によって求めているが、他の方法によって流速プロファイルを求めるようにしてもよい。
また、本実施例では、特定の１つの流速プロファイル生成用の方向として、既知の、信頼性の高い反射体２０が存在すると推定される方向が予め設定されている。

【0024】

次に、界面推定部１６は、反射信号強度プロファイル生成部１５によって生成された反射信号強度プロファイルに基づいて、配管１０内を流れる流体中の界面の個数と界面の位置とを推定する（図２ステップＳ１０６）。

【0025】

配管１０内を流れる流体が多相流の場合、反射信号強度プロファイルが、流体中の界面の位置で大きくなる。そこで、界面推定部１６は、反射信号強度プロファイルが表す反射信号強度が所定の閾値を超える極大値の位置に、流体中の界面が存在すると推定することができる。なお、配管１０の内壁に対応する既知の位置においても反射信号強度に極大値が現れるが、この極大値が界面の検出対象から除外されることは言うまでもない。
また、界面推定部１６は、配管１０の内壁に対応する位置以外に反射信号強度が閾値を超える極大値がない場合には、界面無しと推定する。

【0026】

次に、流量算出部１７は、流速プロファイル生成部１４によって生成された流速プロファイルと、界面推定部１６によって推定された界面の個数と界面の位置とに基づいて、配管１０内を流れる流体の層毎に流量を算出する（図２ステップＳ１０７）。このステップＳ１０７の処理について詳細に説明する。

【0027】

まず、流量算出部１７は、配管１０の内部を、界面推定部１６によって推定された界面の個数と界面の位置とに基づいて最上層、中間層、最下層に分ける。界面の個数が１つの場合には、最上層と最下層のみの２層となる。また、界面の個数が２以上の場合には、１乃至複数の中間層が存在する。

【0028】

続いて、流量算出部１７は、最上層を配管１０の径方向に沿ってさらに複数の分割領域に分割し、分割領域毎の断面積を算出する。分割領域の断面積は、配管１０の内半径と、配管１０の径方向の分割領域の高さとから算出することが可能である。流量算出部１７は、分割領域における流体の流速を流速プロファイルから求め、この流速に分割領域の断面積を掛けることで分割領域の流量を算出することができる。このような流量算出を最上層の分割領域毎に行い、全分割領域の流量を加算することで、最上層の流量を算出することができる。
以上のような流量算出を、最上層、中間層、最下層の層毎に行えばよい。

【0029】

次に、出力部１８は、流量算出部１７による算出結果を出力する（図２ステップＳ１０８）。出力方法としては、例えば流量の表示、流量データの外部への送信などがある。超音波流量計は、ステップＳ１００～Ｓ１０８の処理を一定時間毎に行う。
こうして、本実施例では、超音波流量計測の計測精度を改善することができる。

【0030】

本実施例では、超音波素子アレイ１１から配管１０内の複数の方向に事前に超音波を送信し、反射信号を取得することにより、配管１０内のどの方向に反射体が存在するかを事前に特定することが可能となる。したがって、流量計測の際には、事前に特定した方向に超音波を送信することができ、ノイズ要素を低減した流速プロファイルを得ることができる。

【0031】

［第２の実施例］
次に、本発明の第２の実施例について説明する。図３は本発明の第２の実施例に係る超音波流量計の構成を示すブロック図である。第１の実施例では、流体内に気泡などの反射体があることを前提としていた。

【0032】

本実施例では、流体内部に反射体が少なく、流速分布プロファイルを作成することが困難な場合を想定し、気泡発生器１９によって流体内に気泡を発生させるようにしている。これにより、本実施例では、流体内の反射体２０を増やすことができる。気泡発生器１９は、超音波素子アレイ１１からの超音波が届く位置であれば、超音波素子アレイ１１の付近の上流と下流のうちどちらか一方に配置すればよく、上流と下流の両方に配置してもよい。その他の構成は第１の実施例で説明したとおりである。

【0033】

本実施例では、気泡の位置が気泡発生器１９の方向に限定されるため、配管１０内のどの方向に反射体が存在するかを事前に特定する際に調査の方向を気泡発生器１９の設置方向に限定することが可能となり、効率良く反射体の方向を確認することができる。

【0034】

第１、第２の実施例で説明した超音波流量計のうち少なくとも流速プロファイル生成部１４と反射信号強度プロファイル生成部１５と界面推定部１６と流量算出部１７と出力部１８とは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置及びインターフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。このコンピュータの構成例を図４に示す。

【0035】

コンピュータは、ＣＰＵ２００と、記憶装置２０１と、インタフェース装置（Ｉ／Ｆ）２０２とを備えている。Ｉ／Ｆ２０２には、送信部１２のハードウェアと受信部１３のハードウェアと出力部１８のハードウェア等が接続される。本発明のおよび流量計測方法を実現させるための流量計測プログラムは記憶装置２０１に格納される。ＣＰＵ２００は、記憶装置２０１に格納されたプログラムに従って第１、第２の実施例で説明した処理を実行する。

【産業上の利用可能性】

【0036】

本発明は、超音波流量計に適用することができる。

【符号の説明】

【0037】

１０…配管、１１…超音波素子アレイ、１２…送信部、１３…受信部、１４…流速プロファイル生成部、１５…反射信号強度プロファイル生成部、１６…界面推定部、１７…流量算出部、１８…出力部、１９…気泡発生器。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】