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(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】P2024171613
(43)【公開日】2024-12-12
(54)【発明の名称】超音波流量計
(51)【国際特許分類】
G01F 1/66 20220101AFI20241205BHJP
G01F 1/663 20220101ALI20241205BHJP
【ＦＩ】
G01F1/66 Z
G01F1/66 101
G01F1/663
【審査請求】未請求
【請求項の数】6
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023088712
(22)【出願日】2023-05-30
(71)【出願人】
【識別番号】000005234
【氏名又は名称】富士電機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110003177
【氏名又は名称】弁理士法人旺知国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】山内 芳准
(72)【発明者】
【氏名】増永 靖行
(72)【発明者】
【氏名】小泉 和裕
(72)【発明者】
【氏名】神保 直道
【テーマコード（参考）】
2F035
【Ｆターム（参考）】
2F035DA12
2F035DA14
(57)【要約】
【課題】流体のボイド率が変動しても、高精度に流量を測定する。
【解決手段】超音波流量計は、管体内の流体の流れる方向において互いに異なる位置で管体に配置され、管体内を介して超音波信号を互いに送受信可能な第１超音波センサーおよび第２超音波センサーと、管体に配置され、管体内の流体のボイド率に応じた信号を出力する第１ボイド率センサーと、第１ボイド率センサーの出力信号に基づくボイド率が第１閾値未満である場合、第１超音波センサーと第２超音波センサーとの間の順方向での超音波信号と逆方向での超音波信号との伝搬時間差に基づいて管体内の流体の流量を算出し、第１ボイド率センサーの出力信号に基づくボイド率が第１閾値以上である場合、第１超音波センサーまたは第２超音波センサーの送受信間の超音波信号の周波数シフトに基づいて管体内の流体の流量を算出する処理装置と、を備える。
【選択図】図１
【解決手段】超音波流量計は、管体内の流体の流れる方向において互いに異なる位置で管体に配置され、管体内を介して超音波信号を互いに送受信可能な第１超音波センサーおよび第２超音波センサーと、管体に配置され、管体内の流体のボイド率に応じた信号を出力する第１ボイド率センサーと、第１ボイド率センサーの出力信号に基づくボイド率が第１閾値未満である場合、第１超音波センサーと第２超音波センサーとの間の順方向での超音波信号と逆方向での超音波信号との伝搬時間差に基づいて管体内の流体の流量を算出し、第１ボイド率センサーの出力信号に基づくボイド率が第１閾値以上である場合、第１超音波センサーまたは第２超音波センサーの送受信間の超音波信号の周波数シフトに基づいて管体内の流体の流量を算出する処理装置と、を備える。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
管体内の流体の流れる方向において互いに異なる位置で前記管体に配置され、前記管体内を介して超音波信号を互いに送受信可能な第１超音波センサーおよび第２超音波センサーと、
前記管体に配置され、前記管体内の流体のボイド率に応じた信号を出力する第１ボイド率センサーと、
前記第１ボイド率センサーの出力信号に基づくボイド率が第１閾値未満である場合、前記第１超音波センサーと前記第２超音波センサーとの間の順方向での超音波信号と逆方向での超音波信号との伝搬時間差に基づいて前記管体内の流体の流量を算出し、前記第１ボイド率センサーの出力信号に基づくボイド率が前記第１閾値以上である場合、前記第１超音波センサーまたは前記第２超音波センサーの送受信間の超音波信号の周波数シフトに基づいて前記管体内の流体の流量を算出する処理装置と、を備える、
超音波流量計。
前記管体に配置され、前記管体内の流体のボイド率に応じた信号を出力する第１ボイド率センサーと、
前記第１ボイド率センサーの出力信号に基づくボイド率が第１閾値未満である場合、前記第１超音波センサーと前記第２超音波センサーとの間の順方向での超音波信号と逆方向での超音波信号との伝搬時間差に基づいて前記管体内の流体の流量を算出し、前記第１ボイド率センサーの出力信号に基づくボイド率が前記第１閾値以上である場合、前記第１超音波センサーまたは前記第２超音波センサーの送受信間の超音波信号の周波数シフトに基づいて前記管体内の流体の流量を算出する処理装置と、を備える、
超音波流量計。
【請求項2】
前記第１閾値は、５％以上１５％以下の範囲内である、
請求項１に記載の超音波流量計。
請求項１に記載の超音波流量計。
【請求項3】
前記管体内の流体の流れる方向において前記第１ボイド率センサーとは異なる位置で前記管体に配置され、前記管体内の流体のボイド率に応じた信号を出力する第２ボイド率センサーをさらに備え、
前記処理装置は、
前記第１ボイド率センサーの出力信号に基づくボイド率が前記第１閾値以上かつ前記第１閾値よりも大きい第２閾値未満である場合、前記周波数シフトに基づいて前記管体内の流体の流量を算出し、前記第１ボイド率センサーの出力信号に基づくボイド率が前記第２閾値以上である場合、前記第１ボイド率センサーおよび前記第２ボイド率センサーの出力信号の相関に基づいて前記管体内の流体の流量を算出する、
請求項１に記載の超音波流量計。
前記処理装置は、
前記第１ボイド率センサーの出力信号に基づくボイド率が前記第１閾値以上かつ前記第１閾値よりも大きい第２閾値未満である場合、前記周波数シフトに基づいて前記管体内の流体の流量を算出し、前記第１ボイド率センサーの出力信号に基づくボイド率が前記第２閾値以上である場合、前記第１ボイド率センサーおよび前記第２ボイド率センサーの出力信号の相関に基づいて前記管体内の流体の流量を算出する、
請求項１に記載の超音波流量計。
【請求項4】
前記第２閾値は、３５％以上４５％以下の範囲内である、
請求項３に記載の超音波流量計。
請求項３に記載の超音波流量計。
【請求項5】
前記第１ボイド率センサーは、静電容量式のボイド率センサーである、
請求項１に記載の超音波流量計。
請求項１に記載の超音波流量計。
【請求項6】
管体内の流体の流れる方向において互いに異なる位置で前記管体に配置され、前記管体内を介して超音波信号を互いに送受信可能な第１超音波センサーおよび第２超音波センサーと、
前記管体に配置され、前記管体内の流体のボイド率に応じた信号を出力する第１ボイド率センサーと、
前記管体内の流体の流れる方向において前記第１ボイド率センサーとは異なる位置で前記管体に配置され、前記管体内の流体のボイド率に応じた信号を出力する第２ボイド率センサーと、
前記第１ボイド率センサーの出力信号に基づくボイド率が第３閾値未満である場合、前記第１超音波センサーと前記第２超音波センサーとの間の順方向での超音波信号と逆方向での超音波信号との伝搬時間差に基づいて前記管体内の流体の流量を算出し、前記第１ボイド率センサーの出力信号に基づくボイド率が前記第３閾値以上である場合、前記第１ボイド率センサーおよび前記第２ボイド率センサーの出力信号の相関に基づいて前記管体内の流体の流量を算出する処理装置と、を備える、
超音波流量計。
前記管体に配置され、前記管体内の流体のボイド率に応じた信号を出力する第１ボイド率センサーと、
前記管体内の流体の流れる方向において前記第１ボイド率センサーとは異なる位置で前記管体に配置され、前記管体内の流体のボイド率に応じた信号を出力する第２ボイド率センサーと、
前記第１ボイド率センサーの出力信号に基づくボイド率が第３閾値未満である場合、前記第１超音波センサーと前記第２超音波センサーとの間の順方向での超音波信号と逆方向での超音波信号との伝搬時間差に基づいて前記管体内の流体の流量を算出し、前記第１ボイド率センサーの出力信号に基づくボイド率が前記第３閾値以上である場合、前記第１ボイド率センサーおよび前記第２ボイド率センサーの出力信号の相関に基づいて前記管体内の流体の流量を算出する処理装置と、を備える、
超音波流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、超音波流量計に関する。
【背景技術】
【0002】
配管等の管体内を流れる流体の流量を測定する流量計の一種である超音波流量計は、管体内で可動したり摩耗したりする部分を有しなくて済むことから、メンテナンス性に優れ、かつ、大口径の管体にも容易に設置可能である。
【0003】
超音波流量計は、特許文献１から３に開示されるように、一般に、配管の流体の流れる方向で互いに異なる位置に配置される１対の超音波センサー間の順方向の超音波信号の伝搬時間と逆方向の超音波信号の伝搬時間との差に基づいて流量を算出する伝搬時間差法を用いる。
【0004】
しかし、伝搬時間差法のみを用いる場合、配管内の流体に気泡が混入することにより、配管内の流体の流れが液体および気体の混在する気液二相流となると、流量の測定精度が低下してしまう。そこで、特許文献２では、超音波信号を用いてボイド率を推定し、その推定結果を用いて、伝播時間差法の算出結果を補正することが行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開２０１３－８８３２２号公報
【特許文献2】特開２０２２－３４１６７号公報
【特許文献3】特開２０１６－４０５４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
近年、配管内の流体の流れが気液二相流である状態であっても、高精度に流量を測定したいというニーズが高まっている。例えば、カーボンニュートラルで注目される水素サプライチェーンでは、気液二相流になりやすい液体水素の流量を高精度に測定することが望まれている。
【0007】
しかし、特許文献２では、ボイド率の推定に超音波信号を用いるので、配管の材質、肉厚、超音波センサーとの接触状態により超音波信号の振幅が変動したり、配管内を伝搬する不要な超音波信号の影響を受けたりすることにより、ボイド率の推定結果も変動してしまう。このため、特許文献２の構成では、流体の流量を高精度に測定することが難しいという問題がある。
【0008】
また、従来では、伝搬時間差法を用いる場合、伝搬時間差法を常に用いて流量の計測を行うので、流体内の気泡量が多くなりすぎると、１対の超音波センサーのうちの一方から他方へ超音波信号が到達し難くなることにより、流量を計測することが困難となってしまうという問題もある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
以上の課題を解決するために、本開示の一態様に係る超音波流量計は、管体内の流体の流れる方向において互いに異なる位置で前記管体に配置され、前記管体内を介して超音波信号を互いに送受信可能な第１超音波センサーおよび第２超音波センサーと、前記管体に配置され、前記管体内の流体のボイド率に応じた信号を出力する第１ボイド率センサーと、前記第１ボイド率センサーの出力信号に基づくボイド率が第１閾値未満である場合、前記第１超音波センサーと前記第２超音波センサーとの間の順方向での超音波信号と逆方向での超音波信号との伝搬時間差に基づいて前記管体内の流体の流量を算出し、前記第１ボイド率センサーの出力信号に基づくボイド率が前記第１閾値以上である場合、前記第１超音波センサーまたは前記第２超音波センサーの送受信間の超音波信号の周波数シフトに基づいて前記管体内の流体の流量を算出する処理装置と、を備える。
【0010】
本開示の他の一態様に係る超音波流量計は、管体内の流体の流れる方向において互いに異なる位置で前記管体に配置され、前記管体内を介して超音波信号を互いに送受信可能な第１超音波センサーおよび第２超音波センサーと、前記管体に配置され、前記管体内の流体のボイド率に応じた信号を出力する第１ボイド率センサーと、前記管体内の流体の流れる方向において前記第１ボイド率センサーとは異なる位置で前記管体に配置され、前記管体内の流体のボイド率に応じた信号を出力する第２ボイド率センサーと、前記第１ボイド率センサーの出力信号に基づくボイド率が第３閾値未満である場合、前記第１超音波センサーと前記第２超音波センサーとの間の順方向での超音波信号と逆方向での超音波信号との伝搬時間差に基づいて前記管体内の流体の流量を算出し、前記第１ボイド率センサーの出力信号に基づくボイド率が前記第３閾値以上である場合、前記第１ボイド率センサーおよび前記第２ボイド率センサーの出力信号の相関に基づいて前記管体内の流体の流量を算出する処理装置と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】第１実施形態の超音波流量計の概略図である。
【図2】第１実施形態の超音波流量計の動作を説明するためのフローチャートである。
【図3】伝搬時間差法による流量計測の原理を説明するための図である。
【図4】周波数シフト法による流量計測の原理を説明するための図である。
【図5】第２実施形態の超音波流量計の概念図である。
【図6】第２実施形態の超音波流量計の動作を説明するためのフローチャートである。
【図7】ボイド率センサーを用いた相関法による流量計測の原理を説明するための図である。
【図8】変形例１の超音波流量計の動作を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、添付図面を参照しながら本開示に係る好適な実施形態を説明する。なお、図面において各部の寸法および縮尺は実際のものと適宜異なり、理解を容易にするために模式的に示している部分もある。また、本開示の範囲は、以下の説明において特に本開示を限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られるものではない。
【0013】
【0014】
管体１００は、流体ＦＬを輸送するための配管等の管状部材である。管体１００は、例えば、ポリエチレンまたはポリ塩化ビニル等の樹脂材料で構成される。なお、管体１００を構成する材料は、後述の超音波センサー１１、１２による検出と後述のボイド率センサー２１による検出とが可能であればよく、樹脂材料に限定されない。また、管体１００の形状は、図１に示す例に限定されず、任意である。
【0015】
流体ＦＬは、管体１００内の圧力および温度のもとで液状の媒体である。ただし、流体ＦＬは、流体ＦＬの一部の気化等により管体１００内で液相と気相との混合状態である気液混合状態となり得る。具体的には、流体ＦＬは、例えば、液体水素または液体窒素等の低沸点媒体である。このような低沸点媒体は、管体１００内で気液混合状態になりやすい。したがって、後述するように、超音波流量計１の効果が顕著に得られる。なお、流体ＦＬは、低沸点媒体に限定されず、低沸点媒体以外の各種液体であってもよい。ただし、流体ＦＬが低沸点媒体のように気液混合状態になりやすい液体であるか、または、流体ＦＬが低沸点媒体でなくとも管体１００内で気液混合状態になりやすい状態で輸送される場合、超音波流量計１の効果が顕著に得られる。
【0016】
超音波流量計１は、管体１００内の流体ＦＬのボイド率に基づいて、管体１００内の流体ＦＬの流量測定方式として、伝搬時間差法と周波数シフト法とを切り替え可能に構成される。当該ボイド率は、流体ＦＬ中の単位体積あたりの気相の占める体積の割合である。
【0017】
図１に示すように、超音波流量計１は、超音波センサー１１と超音波センサー１２とボイド率センサー２１と処理装置３０とを備える。超音波センサー１１は、「第１超音波センサー」の一例である。超音波センサー１２は、「第２超音波センサー」の一例である。ボイド率センサー２１は、「第１ボイド率センサー」の一例である。
【0018】
以下、図１に基づいて、超音波流量計１の各部を順に説明する。
【0019】
超音波センサー１１、１２のそれぞれは、超音波信号を送受信するセンサーである。超音波センサー１１、１２のそれぞれは、図示しないが、例えば、超音波振動子を構成する圧電素子と、当該圧電素子を逆圧電効果により駆動する駆動回路と、当該圧電素子の圧電効果による受信信号を検出する検出回路と、を有する。当該駆動回路は、当該圧電素子を超音波振動させることにより当該圧電素子から超音波信号を送信させる回路であり、送信回路とも称される。当該検出回路は、当該圧電素子の圧電効果により生じた電圧信号を受信信号として検出する回路であり、受信回路とも称される。
【0020】
超音波センサー１１および超音波センサー１２は、管体１００内の流体ＦＬの流れる方向ＤＦにおいて互いに異なる位置で管体１００に配置され、管体１００内を介して超音波信号を互いに送受信可能である。図１に示す例では、超音波センサー１２が超音波センサー１１よりも下流の位置に配置される。ここで、超音波センサー１１および超音波センサー１２のそれぞれは、例えば、管体１００の外周面に適宜の方法により固定される。このため、管体１００の加工等を必要とせずに、超音波センサー１１、１２を設置することができる。
【0021】
超音波センサー１１は、超音波センサー１２に向けて超音波信号を送信可能であるとともに、超音波センサー１２からの超音波信号を受信可能である。また、超音波センサー１１は、超音波センサー１１自身から送信された超音波信号が管体１００内の気泡で反射される場合、その反射した超音波信号を受信可能である。
【0022】
同様に、超音波センサー１２は、超音波センサー１１に向けて超音波信号を送信可能であるとともに、超音波センサー１１からの超音波信号を受信可能である。また、超音波センサー１２は、超音波センサー１２自身から送信された超音波信号が管体１００内の気泡で反射される場合、その反射した超音波信号を受信可能である。
【0023】
ボイド率センサー２１は、管体１００に配置され、管体１００内の流体ＦＬのボイド率に応じた信号を出力するセンサーである。
【0024】
図１に示す例では、ボイド率センサー２１が静電容量式のボイド率センサーである。このため、管体１００の外周面にボイド率センサー２１を配置することができる。この結果、ボイド率センサー２１の取り付けおよびメンテナンスを容易に行うことができる。
【0025】
具体的には、ボイド率センサー２１は、１対の電極２１ａ、２１ｂと、図示しない検出回路と、を有する。１対の電極２１ａ、２１ｂは、管体１００を介して、互いに対向するように配置される。図１に示す例では、１対の電極２１ａ、２１ｂは、超音波センサー１２よりも下流の位置に配置される。ここで、１対の電極２１ａ、２１ｂのそれぞれは、管体１００の外周面に適宜の方法により固定される。このため、管体１００の加工等を必要とせずに、ボイド率センサー２１を設置することができる。
【0026】
１対の電極２１ａ、２１ｂ間の静電容量は、管体１００内の流体ＦＬのボイド率に応じて変化する。当該検出回路は、１対の電極２１ａ、２１ｂ間の静電容量に基づいて、当該ボイド率に応じた信号を出力する。なお、ボイド率センサー２１の検出方式は、静電容量式に限定されず、任意である。また、ボイド率センサー２１の配置は、図１に示す例に限定されず、例えば、超音波センサー１２よりも上流かつ超音波センサー１１の下流の位置であってもよいし、超音波センサー１１よりも上流の位置であってもよい。ただし、後述の流量の測定方式の切り替えを好適に行う観点から、ボイド率センサー２１の位置は、超音波センサー１１、１２の位置から離れすぎない位置であることが好ましい。
【0027】
処理装置３０は、超音波センサー１１および超音波センサー１２のうちの一方または両方から出力される受信信号に基づいて、管体１００内の流体ＦＬの流量を算出する処理を実行する。ここで、処理装置３０は、ボイド率センサー２１の出力信号に基づいて、管体１００内の流体ＦＬの流量の算出方法を切り替える。具体的には、処理装置３０は、ボイド率センサー２１の検出結果に基づいて、管体１００内のボイド率が閾値以上であるか否かを判断し、当該ボイド率が当該閾値未満である場合、伝搬時間差法により流量を算出し、一方、当該ボイド率が当該閾値以上である場合、ドップラー法とも称される周波数シフト法により流量を算出する。当該閾値は、「第１閾値」の一例である。これらの測定方式の詳細については、後に図３および図４に基づいて説明する。
【0028】
図１に示す例では、処理装置３０が処理回路３１と記憶回路３２と通信回路３３とを有する。
【0029】
処理回路３１は、処理装置３０の各部の動作を制御したり演算処理を行ったりする回路であり、１個以上のＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサーを含む。なお、処理回路３１は、ＣＰＵに代えて、または、ＣＰＵに加えて、ＦＰＧＡ（field-programmable gate array）等のプログラマブルロジックデバイスを含んでもよい。
【0030】
記憶回路３２は、処理回路３１が実行する各種プログラムと、処理回路３１が処理する各種データと、を記憶する回路である。記憶回路３２は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の揮発性のメモリーとＲＯＭ（Read Only Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）またはＰＲＯＭ（Programmable ROM）等の不揮発性メモリーとの一方または両方の半導体メモリーを含む。なお、記憶回路３２の一部または全部は、処理回路３１に含まれてもよい。
【0031】
通信回路３３は、図示しない外部装置と通信可能な回路であり、管体１００内の流体ＦＬの流量の測定結果を示す信号を出力する。当該信号は、例えば、４ｍＡ以上２０ｍＡ以下程度の信号であり、アナログ信号であっても、デジタル信号であってもよい。なお、通信回路３３は、処理回路３１と一体でもよい。また、通信回路３３は、送信する機能のみを有する構成でもよいし、送信および受信の両方の機能を有する構成でもよい。
【0032】
以上の処理装置３０では、処理回路３１が記憶回路３２からプログラムを読み込んで実行することにより、ボイド率計測部３１ａ、判定部３１ｂ、方式切替部３１ｃ、検出信号処理部３１ｄ、流量演算部３１ｅおよび出力部３１ｆとして機能する。したがって、処理装置３０は、ボイド率計測部３１ａと判定部３１ｂと方式切替部３１ｃと検出信号処理部３１ｄと流量演算部３１ｅと出力部３１ｆとを含む。
【0033】
ボイド率計測部３１ａは、ボイド率センサー２１の出力信号に基づいて、管体１００内の流体ＦＬのボイド率を算出する。判定部３１ｂは、ボイド率計測部３１ａの計測結果に基づいて、管体１００内のボイド率が閾値以上であるか否かを判断する。方式切替部３１ｃは、判定部３１ｂの判定結果に基づいて、管体１００内のボイド率が当該閾値未満である場合、測定方式として伝搬時間差法を設定し、一方、管体１００内のボイド率が当該閾値以上である場合、測定方式として周波数シフト法を設定する。検出信号処理部３１ｄは、方式切替部３１ｃの設定結果に基づく測定方式に応じて、超音波センサー１１および超音波センサー１２のうちの一方または両方の受信信号の信号処理を行うことにより、管体１００内の流体ＦＬの流速を示す検出信号を生成する。流量演算部３１ｅは、検出信号処理部３１ｄで生成された検出信号に基づいて、流量を算出する。出力部３１ｆは、流量演算部３１ｅの演算結果を示す信号を通信回路３３に出力させる。
【0034】
当該閾値は、ボイド率と流量計測精度との関係から許容する計測精度に応じて設定される。具体的には、例えば、許容する計測精度が±１％以内である場合、その計測精度を実現し得るボイド率が１０％以下であることから、当該閾値が１０％に設定される。
【0035】
このような観点から、閾値ＴＨ１は、５％以上１５％以下の範囲内であることが好ましい。この場合、管体１００内の流体ＦＬの測定精度を高めるように、伝搬時間差法と周波数シフト法とを好適に切り替えることができる。
【0036】
１－２．超音波流量計の動作
図２は、第１実施形態の超音波流量計１の動作を示すフローチャートである。超音波流量計１では、図２に示すように、まず、ステップＳ１０において、処理装置３０が、ボイド率センサー２１の出力信号に基づいて、管体１００内の流体ＦＬのボイド率を算出する。
図２は、第１実施形態の超音波流量計１の動作を示すフローチャートである。超音波流量計１では、図２に示すように、まず、ステップＳ１０において、処理装置３０が、ボイド率センサー２１の出力信号に基づいて、管体１００内の流体ＦＬのボイド率を算出する。
【0037】
次に、ステップＳ２０において、処理装置３０が、ボイド率センサー２１の計測結果に基づいて、管体１００内のボイド率が閾値ＴＨ１以上であるか否かを判断する。閾値ＴＨ１は、「第１閾値」の一例である。
【0038】
管体１００内のボイド率が閾値ＴＨ１未満である場合（ステップＳ２０：ＮＯ）、処理装置３０は、ステップＳ３０において、超音波センサー１１および超音波センサー１２の両方の受信信号に基づいて、伝搬時間差法により流量を算出する。
【0039】
一方、管体１００内のボイド率が閾値ＴＨ１以上である場合（ステップＳ２０：ＹＥＳ）、処理装置３０は、ステップＳ４０において、超音波センサー１１または超音波センサー１２の受信信号に基づいて、周波数シフト法により流量を算出する。
【0040】
ステップＳ３０またはステップＳ４０の後、処理装置３０は、ステップＳ５０において、算出した流量を示す信号を出力する。
【0041】
その後、処理装置３０は、ステップＳ６０において、ステップ終了指示があるか否かを判断する。処理装置３０は、終了指示がない場合（ステップＳ６０：ＮＯ）、前述のステップＳ１０に戻り、一方、終了指示がある場合（ステップＳ６０：ＹＥＳ）、処理を終了する。
【0042】
【0043】
管体１００内のボイド率が低い場合、超音波センサー１１および超音波センサー１２のうちの一方から他方へ超音波信号が十分な強度で到達する。このため、管体１００内のボイド率が閾値未満である場合、前述のステップＳ３０において、伝搬時間差法により流量を算出する。
【0044】
管体１００を流れる流体ＦＬの流速をＶとし、超音波センサー１１と超音波センサー１２との間の超音波信号の伝搬距離をＬとし、超音波センサー１１と超音波センサー１２との間を結ぶ線分と管体１００の軸線とのなす角度をθとし、音速をＣとすると、超音波センサー１１と超音波センサー１２との間の順方向（流体ＦＬが流れる方向ＤＦ）の超音波の伝搬時間ｔ１と逆方向（流体ＦＬが流れる方向ＤＦと逆方向）の超音波の伝搬時間ｔ２とは、次の式（１）および式（２）のように表される。
ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ） （１）
ｔ２＝Ｌ／（Ｃ－Ｖｃｏｓθ） （２）
ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ） （１）
ｔ２＝Ｌ／（Ｃ－Ｖｃｏｓθ） （２）
【0045】
前述のステップＳ３０の伝搬時間差法では、伝搬時間ｔ１と伝搬時間ｔ２との差である伝搬時間差Δｔを計測し、次の式（３）および式（４）を用いて、流体ＦＬの流速Ｖおよび流量Ｑを算出する。
Ｖ≒Ｃ２Δｔ／（２Ｌｃｏｓθ） （３）
Ｑ＝ＳＶ／ｋ≒ＳＣ２Δｔ／（２ｋＬｃｏｓθ） （４）
ここで、式（４）中、Ｓは、管体１００内の断面積であり、ｋは、超音波信号の伝搬経路上の平均流速を管体１００の軸線に沿う方向での平均流速に補正するための係数である。
Ｖ≒Ｃ２Δｔ／（２Ｌｃｏｓθ） （３）
Ｑ＝ＳＶ／ｋ≒ＳＣ２Δｔ／（２ｋＬｃｏｓθ） （４）
ここで、式（４）中、Ｓは、管体１００内の断面積であり、ｋは、超音波信号の伝搬経路上の平均流速を管体１００の軸線に沿う方向での平均流速に補正するための係数である。
【0046】
伝搬時間差Δｔは、例えば、超音波センサー１１および超音波センサー１２の受信信号の波形に基づいて算出される。具体的には、超音波センサー１１および超音波センサー１２のそれぞれの受信信号をサンプリングすることにより、波形データを取得した後、取得した波形データの相互相関演算を行うことにより、相関関数から伝搬時間差Δｔが求められる。
【0047】
以上の伝搬時間差法では、管体１００内にボイド率が極めて小さい場合に流量を高精度に測定することができる。したがって、管体１００内のボイド率が閾値未満である場合、伝搬時間差法により流量を算出することにより、測定結果の高精度化を図ることができる。
【0048】
以上のように、処理装置３０は、ボイド率センサー２１の出力信号に基づくボイド率が閾値ＴＨ１未満である場合、超音波センサー１１と超音波センサー１２との間の順方向での超音波信号ＵＳ１と逆方向での超音波信号ＵＳ２との伝搬時間差Δｔに基づいて管体１００内の流体ＦＬの流量を算出する。
【0049】
【0050】
管体１００内のボイド率が中程度に達すると、超音波センサー１１および超音波センサー１２のうちの一方から他方へ超音波信号が十分な強度で到達ことができず、この結果、超音波センサー１１および超音波センサー１２のそれぞれの受信信号のＳＮ比が低下するので、流量の測定精度が低下する。
【0051】
そこで、管体１００内のボイド率が閾値以上である場合、前述のステップＳ４０において、周波数シフト法により流量を算出する。
【0052】
管体１００内に気泡が存在する場合、超音波センサー１１および超音波センサー１２のそれぞれから送信された超音波信号は、管体１００内の気泡で反射した後、送信元の超音波センサー１１または超音波センサー１２で受信される。このとき、反射した超音波信号の周波数は、管体１００内の流体ＦＬの流速に応じてドップラー効果の影響を受けて変化する。したがって、管体１００内の流体ＦＬの流速に応じて、超音波センサー１１または超音波センサー１２の送信した超音波信号と受信した超音波信号との周波数差が変化する。このため、この反射した超音波信号を受信した超音波センサー１１または超音波センサー１２の受信信号の周波数に基づいて、管体１００内の流体ＦＬの流速を算出することができる。また、算出した流速と前述の式（４）とに基づいて、管体１００内の流体ＦＬの流量を算出することができる。
【0053】
以上の周波数シフト法では、管体１００内に気泡等の反射物が存在しない場合に流量を計測できないものの、管体１００内に多くの気泡が混入した状態でも、伝搬時間差法と比較して高精度に流量を測定することができる。したがって、管体１００内のボイド率が閾値以上である場合、周波数シフト法により流量を算出することにより、測定結果の高精度化を図ることができる。
【0054】
以上のように、処理装置３０は、ボイド率センサー２１の出力信号に基づくボイド率が閾値ＴＨ１以上である場合、超音波センサー１１または超音波センサー１２の送受信間の超音波信号の周波数シフトに基づいて管体１００内の流体ＦＬの流量を算出する。
【0055】
以上の超音波流量計１では、管体１００内の流体ＦＬのボイド率が閾値ＴＨ１未満である場合、超音波センサー１１および超音波センサー１２の一方が他方からの超音波信号を十分な強度で受信可能であることにより、伝搬時間差法により管体１００内の流体ＦＬの流量を高精度に測定することができる。一方、管体１００内の流体ＦＬのボイド率が閾値ＴＨ１以上である場合、超音波センサー１１および超音波センサー１２の一方が他方からの超音波信号を十分な強度で受信できなくても、超音波センサー１１および超音波センサー１２の一方が気泡による超音波信号の反射を十分な強度で受信可能であることにより、周波数シフト法により管体１００内の流体ＦＬの流量を高精度に測定することができる。しかも、ボイド率センサーの出力信号に基づいてこれらの測定方式の切り替えを適切に行うことができる。以上から、管体１００内の流体ＦＬのボイド率が変動しても、管体１００内の液体の流量を高精度に測定することができる。
【0056】
２．第２実施形態
以下、本開示の第２実施形態について説明する。以下に例示する形態において作用および機能が前述の実施形態と同様である要素については、前述の実施形態の説明で使用した符号を流用して各々の詳細な説明を適宜に省略する。
以下、本開示の第２実施形態について説明する。以下に例示する形態において作用および機能が前述の実施形態と同様である要素については、前述の実施形態の説明で使用した符号を流用して各々の詳細な説明を適宜に省略する。
【0057】
２－１．超音波流量計の概略
図５は、第２実施形態の超音波流量計１Ａの概略図である。超音波流量計１Ａは、ボイド率センサー２２を追加するとともに、処理装置３０に代えて処理装置３０Ａを備えること以外は、第１実施形態の超音波流量計１と同様に構成される。ボイド率センサー２２は、「第２ボイド率センサー」の一例である。
図５は、第２実施形態の超音波流量計１Ａの概略図である。超音波流量計１Ａは、ボイド率センサー２２を追加するとともに、処理装置３０に代えて処理装置３０Ａを備えること以外は、第１実施形態の超音波流量計１と同様に構成される。ボイド率センサー２２は、「第２ボイド率センサー」の一例である。
【0058】
超音波流量計１Ａは、管体１００内のボイド率に基づいて、管体１００内の流体ＦＬの流量測定方式として、伝搬時間差法と周波数シフト法とボイド率センサー２１、２２を用いた相関法とを切り替え可能に構成される。
【0059】
ボイド率センサー２２は、管体１００内の流体ＦＬの流れる方向ＤＦにおいてボイド率センサー２１とは異なる位置で管体１００に配置され、管体１００内の流体ＦＬのボイド率に応じた信号を出力するセンサーである。
【0060】
図５に示す例では、ボイド率センサー２２が静電容量式のボイド率センサーである。このため、管体１００の外周面にボイド率センサー２２を配置することができる。この結果、ボイド率センサー２２の取り付けおよびメンテナンスを容易に行うことができる。
【0061】
具体的には、ボイド率センサー２２は、１対の電極２２ａ、２２ｂと、図示しない検出回路と、を有する。１対の電極２２ａ、２２ｂは、管体１００を介して、互いに対向するように配置される。図５に示す例では、１対の電極２２ａ、２２ｂは、ボイド率センサー２１よりも下流の位置に配置される。ここで、１対の電極２２ａ、２２ｂのそれぞれは、管体１００の外周面に適宜の方法により固定される。このため、管体１００の加工等を必要とせずに、ボイド率センサー２２を設置することができる。
【0062】
１対の電極２２ａ、２２ｂ間の静電容量は、管体１００内の流体ＦＬのボイド率に応じて変化する。当該検出回路は、１対の電極２２ａ、２２ｂ間の静電容量に基づいて、ボイド率に応じた信号を出力する。なお、ボイド率センサー２２の検出方式は、静電容量式に限定されず、任意である。また、ボイド率センサー２２の配置は、図５に示す例に限定されず、例えば、ボイド率センサー２１よりも上流かつ超音波センサー１２の下流の位置であってもよいし、超音波センサー１２よりも上流かつ超音波センサー１１の下流の位置であってもよいし、超音波センサー１１よりも上流の位置であってもよい。ただし、後述の相関法による流量の計測精度を高める観点から、ボイド率センサー２２の位置は、ボイド率センサー２１の位置から離れすぎない位置であることが好ましい。
【0063】
処理装置３０Ａは、ボイド率センサー２１およびボイド率センサー２２を用いた相関法による流量計測が可能であること以外は、第１実施形態の処理装置３０と同様に構成される。
【0064】
具体的に説明すると、処理装置３０Ａでは、処理回路３１が記憶回路３２からプログラムを読み込んで実行することにより、第１実施形態の処理回路３１の機能のほか、相関処理部３１ｇとして機能する。したがって、処理装置３０Ａは、ボイド率計測部３１ａと判定部３１ｂと方式切替部３１ｃと検出信号処理部３１ｄと流量演算部３１ｅと出力部３１ｆと相関処理部３１ｇとを含む。
【0065】
相関処理部３１ｇは、ボイド率センサー２１およびボイド率センサー２２のそれぞれの出力信号を所定時間ごとに時分割し、当該所定時間ごとの相互相関に基づいて流速を算出することにより、管体１００内の流体ＦＬの流速を示す検出信号を生成する。
【0066】
本実施形態の流量演算部３１ｅは、管体１００内のボイド率が閾値以上であるか否かを判断し、管体１００内のボイド率が当該閾値未満である場合、第１実施形態と同様、検出信号処理部３１ｄで生成された検出信号に基づいて流速を演算し、一方、管体１００内のボイド率が当該閾値以上である場合、相関処理部３１ｇで生成された検出信号に基づいて流速を演算する。
【0067】
流量演算部３１ｅで用いる閾値は、判定部３１ｂで用いる閾値よりも大きい値であり、ボイド率と流量計測精度との関係から許容する計測精度に応じて設定される。具体的には、例えば、許容する計測精度が±１％以内であり、かつ、その計測精度を実現し得るボイド率が４０％以下であることから、流量演算部３１ｅで用いる閾値が４０％に設定される。なお、以下では、判定部３１ｂで用いる閾値を「第１閾値」、流量演算部３１ｅで用いる閾値を「第２閾値」という場合がある。
【0068】
このような観点から、閾値ＴＨ２は、３５％以上４５％以下の範囲内であることが好ましい。この場合、管体１００内の流体ＦＬの測定精度を高めるように、周波数シフト法と相関法とを好適に切り替えることができる。
【0069】
２－２．超音波流量計の動作
図６は、第２実施形態の超音波流量計１Ａの動作を示すフローチャートである。超音波流量計１Ａは、図６に示すように、ステップＳ７０およびステップＳ８０を追加したこと以外は、第１実施形態の超音波流量計１と同様に動作する。
図６は、第２実施形態の超音波流量計１Ａの動作を示すフローチャートである。超音波流量計１Ａは、図６に示すように、ステップＳ７０およびステップＳ８０を追加したこと以外は、第１実施形態の超音波流量計１と同様に動作する。
【0070】
具体的には、管体１００内のボイド率が当該閾値以上である場合（ステップＳ２０：ＹＥＳ）、処理装置３０Ａは、ステップＳ７０において、ボイド率センサー２１の計測結果に基づいて、管体１００内のボイド率が閾値ＴＨ２以上であるか否かを判断する。閾値ＴＨ２は、「第２閾値」の一例であり、閾値ＴＨ１よりも大きい。
【0071】
管体１００内のボイド率が閾値ＴＨ２未満である場合（ステップＳ７０：ＮＯ）、処理装置３０Ａは、ステップＳ４０において、超音波センサー１１または超音波センサー１２の受信信号に基づいて、周波数シフト法により流量を算出する。
【0072】
一方、管体１００内のボイド率が当該閾値以上である場合（ステップＳ７０：ＹＥＳ）、処理装置３０Ａは、ステップＳ８０において、ボイド率センサー２１、２２を用いた相関法により流量を算出する。その後、処理装置３０Ａは、ステップＳ５０に移行する。
【0073】
以上のように、処理装置３０Ａは、ボイド率センサー２１の出力信号に基づくボイド率が閾値ＴＨ１以上かつ閾値ＴＨ１よりも大きい閾値ＴＨ２未満である場合、周波数シフトに基づいて管体１００内の流体ＦＬの流量を算出する。一方、処理装置３０Ａは、ボイド率センサー２１の出力信号に基づくボイド率が閾値ＴＨ２以上である場合、ボイド率センサー２１およびボイド率センサー２２の出力信号の相関に基づいて管体１００内の流体ＦＬの流量を算出する。
【0074】
２－３．ボイド率センサーの相関法
図７は、ボイド率センサー２１、２２を用いた相関法による流量計測の原理を説明するための図である。図７では、管体１００内のボイド率が前述の図４に示す状態よりも大きい状態が示される。
図７は、ボイド率センサー２１、２２を用いた相関法による流量計測の原理を説明するための図である。図７では、管体１００内のボイド率が前述の図４に示す状態よりも大きい状態が示される。
【0075】
管体１００内のボイド率が図４に示す状態よりもさらに大きくなると、前述の周波数シフト法でも計測に十分な強度の超音波信号を超音波センサー１１または超音波センサー１２で受信できなくなる。これにより、伝搬時間差法および周波数シフト法のいずれでも、流量計測が困難となる。
【0076】
そこで、管体１００内のボイド率が第２閾値以上である場合、前述のステップにおいて、ボイド率センサー２１、２２を用いた相関法により流量を算出する。
【0077】
ここで、管体１００を流れる流体ＦＬの流速をＶとし、ボイド率センサー２１とボイド率センサー２２との中心間の距離をＬｂとし、所定のボイド率を示す流体ＦＬがボイド率センサー２１とボイド率センサー２２との間を通過する時間長さをΔtｂとしたとき、流速Ｖは、以下の式で算出される。
Ｖ＝Ｌｂ／Δtｂ
Ｖ＝Ｌｂ／Δtｂ
【0078】
時間長さΔｔｂは、ボイド率センサー２１、２２の出力信号に基づいて算出される。具体的には、ボイド率センサー２１、２２のそれぞれの出力信号をサンプリングすることにより、ボイド率の変動データを取得した後、取得したデータの相互相関演算を行うことにより、相関関数から時間長さΔｔｂが求められる。
【0079】
さらに、管体１００内の混相流体の全体の流量をＱｔｏｔａｌとし、管体１００内の混相流体中の液相の流量をＱｌｉｑｕｉｄとし、管体１００内の混相流体中の気相の流量をＱｇａｓとし、管体１００内のボイド率をαとしたとき、これらの流量は、以下の式（５）、（６）、（７）を用いて、算出される。
Ｑｔｏｔａｌ＝Ｖ×Ａ （５）
Ｑｌｉｑｕｉｄ＝Ｑｔｏｔａｌ×（１－α） （６）
Ｑｇａｓ＝Ｑｔｏｔａｌ×α （７）
Ｑｔｏｔａｌ＝Ｖ×Ａ （５）
Ｑｌｉｑｕｉｄ＝Ｑｔｏｔａｌ×（１－α） （６）
Ｑｇａｓ＝Ｑｔｏｔａｌ×α （７）
【0080】
以上の超音波流量計１Ａでは、管体１００内の流体ＦＬのボイド率が閾値ＴＨ１以上かつ閾値ＴＨ２未満である場合、超音波センサー１１および超音波センサー１２の一方が気泡による超音波信号の反射を十分な強度で受信可能であることにより、周波数シフト法により管体１００内の流体ＦＬの流量を高精度に測定することができる。一方、管体１００内の流体ＦＬのボイド率が閾値ＴＨ２以上である場合、超音波センサー１１および超音波センサー１２の一方が気泡による超音波信号の反射を十分な強度で受信できなくても、２つのボイド率センサーを用いた相関法により管体１００内の流体ＦＬの流量を高精度に測定することができる。しかも、ボイド率センサーの出力信号に基づいてこれらの測定方式の切り替えを適切に行うことができる。
【0081】
３．変形例
以上の各実施態様は多様に変形され得る。具体的な変形の態様を以下に例示する。以下の例示から任意に選択された２以上の態様は相矛盾しない限り適宜に併合され得る。
以上の各実施態様は多様に変形され得る。具体的な変形の態様を以下に例示する。以下の例示から任意に選択された２以上の態様は相矛盾しない限り適宜に併合され得る。
【0082】
３－１．変形例１
前述の形態では、伝搬時間差法および周波数シフト法の両方を用いる態様が例示されるが、この態様に限定されず、例えば、第２実施形態において、周波数シフト法が省略されてもよい。
前述の形態では、伝搬時間差法および周波数シフト法の両方を用いる態様が例示されるが、この態様に限定されず、例えば、第２実施形態において、周波数シフト法が省略されてもよい。
【0083】
図８は、変形例１の超音波流量計の動作を説明するためのフローチャートである。変形例１は、図８に示すように、ステップＳ２０に代えてステップＳ９０を含むとともに、ステップＳ４０に代えてステップＳ８０を含むこと以外は、第１実施形態と同様である。
【0084】
変形例１では、ステップＳ１０の後、ステップＳ９０において、ボイド率センサー２１の計測結果に基づいて、管体１００内のボイド率が閾値ＴＨ３以上であるか否かが判断される。閾値ＴＨ３は、「第３閾値」の一例であり、例えば、前述の閾値ＴＨ１と等しい。なお、閾値ＴＨ３は、必要な測定精度に応じて決められ、閾値ＴＨ１と異なってもよい。
【0085】
管体１００内のボイド率が閾値ＴＨ３未満である場合（ステップＳ９０：ＮＯ）、第１実施形態および第２実施形態と同様、ステップＳ３０において、超音波センサー１１および超音波センサー１２の両方の受信信号に基づいて、伝搬時間差法により流量が算出される。その後、ステップＳ５０が実行される。
【0086】
一方、管体１００内のボイド率が閾値ＴＨ３以上である場合（ステップＳ９０：ＹＥＳ）、ステップＳ８０において、前述の第２実施形態と同様、ボイド率センサー２１およびボイド率センサー２２の出力信号の相関に基づいて管体１００内の流体ＦＬの流量が算出される。その後、ステップＳ５０が実行される。
【0087】
以上の変形例１では、管体１００内の流体ＦＬのボイド率が閾値ＴＨ３以上である場合、超音波センサー１１および超音波センサー１２の一方が他方からの超音波信号を十分な強度で受信できなかったり、超音波センサー１１および超音波センサー１２の一方が気泡による超音波信号の反射を十分な強度で受信できなかったりしても、２つのボイド率センサー２１、２２を用いた相関法により管体１００内の流体ＦＬの流量を高精度に測定することができる。
【0088】
３－２．変形例２
前述の形態では、超音波センサーの数が２つである態様が例示されるが、当該数は、３つ以上であってもよい。この場合、３つ以上の超音波センサーのうち、管体内の流体の流れる方向において互いに異なる位置で管体に配置され、管体内を介して超音波信号を互いに送受信可能な１対の超音波センサーが第１超音波センサーおよび第２超音波センサーに相当する。
前述の形態では、超音波センサーの数が２つである態様が例示されるが、当該数は、３つ以上であってもよい。この場合、３つ以上の超音波センサーのうち、管体内の流体の流れる方向において互いに異なる位置で管体に配置され、管体内を介して超音波信号を互いに送受信可能な１対の超音波センサーが第１超音波センサーおよび第２超音波センサーに相当する。
【0089】
３－３．変形例３
前述の形態では、ボイド率センサーの数が１つまたは２つである態様が例示されるが、当該数は、３つ以上であってもよい。この場合、例えば、３つ以上のボイド率センサーのうち、管体内の流体の流れる方向において互いに異なる位置で管体に配置される１対のボイド率センサーが第１ボイド率センサーおよび第２ボイド率センサーに相当する。
前述の形態では、ボイド率センサーの数が１つまたは２つである態様が例示されるが、当該数は、３つ以上であってもよい。この場合、例えば、３つ以上のボイド率センサーのうち、管体内の流体の流れる方向において互いに異なる位置で管体に配置される１対のボイド率センサーが第１ボイド率センサーおよび第２ボイド率センサーに相当する。
【0090】
４．付記
以上の実施形態または変形例から、例えば以下の態様が把握される。
以上の実施形態または変形例から、例えば以下の態様が把握される。
【0091】
本開示の好適例である第１態様の超音波流量計は、管体内の流体の流れる方向において互いに異なる位置で前記管体に配置され、前記管体内を介して超音波信号を互いに送受信可能な第１超音波センサーおよび第２超音波センサーと、前記管体に配置され、前記管体内の流体のボイド率に応じた信号を出力する第１ボイド率センサーと、前記第１ボイド率センサーの出力信号に基づくボイド率が第１閾値未満である場合、前記第１超音波センサーと前記第２超音波センサーとの間の順方向での超音波信号と逆方向での超音波信号との伝搬時間差に基づいて前記管体内の流体の流量を算出し、前記第１ボイド率センサーの出力信号に基づくボイド率が前記第１閾値以上である場合、前記第１超音波センサーまたは前記第２超音波センサーの送受信間の超音波信号の周波数シフトに基づいて前記管体内の流体の流量を算出する処理装置と、を備える。
【0092】
以上の第１態様では、管体内の流体のボイド率が第１閾値未満である場合、第１超音波センサーおよび第２超音波センサーの一方が他方からの超音波信号を十分な強度で受信可能であることにより、伝搬時間差法により管体内の流体の流量を高精度に測定することができる。一方、管体内の流体のボイド率が第１閾値以上である場合、第１超音波センサーおよび第２超音波センサーの一方が他方からの超音波信号を十分な強度で受信できなくても、第１超音波センサーおよび第２超音波センサーの一方が気泡による超音波信号の反射を十分な強度で受信可能であることにより、周波数シフト法により管体内の流体の流量を高精度に測定することができる。しかも、ボイド率センサーの出力信号に基づいてこれらの測定方式の切り替えを適切に行うことができる。以上から、管体内の流体のボイド率が変動しても、管体内の液体の流量を高精度に測定することができる。
【0093】
第１態様の好適例である第２態様において、前記第１閾値は、５％以上１５％以下の範囲内である。以上の第２態様では、管体内の流体の測定精度を高めるように、伝搬時間差法と周波数シフト法とを好適に切り替えることができる。
【0094】
第１態様または第２態様の好適例である第３態様において、前記管体内の流体の流れる方向において前記第１ボイド率センサーとは異なる位置で前記管体に配置され、前記管体内の流体のボイド率に応じた信号を出力する第２ボイド率センサーをさらに備え、前記処理装置は、前記第１ボイド率センサーの出力信号に基づくボイド率が前記第１閾値以上かつ前記第１閾値よりも大きい第２閾値未満である場合、前記周波数シフトに基づいて前記管体内の流体の流量を算出し、前記第１ボイド率センサーの出力信号に基づくボイド率が前記第２閾値以上である場合、前記第１ボイド率センサーおよび前記第２ボイド率センサーの出力信号の相関に基づいて前記管体内の流体の流量を算出する。
【0095】
以上の第３態様では、管体内の流体のボイド率が第１閾値以上かつ第２閾値未満である場合、第１超音波センサーおよび第２超音波センサーの一方が気泡による超音波信号の反射を十分な強度で受信可能であることにより、周波数シフト法により管体内の流体の流量を高精度に測定することができる。一方、管体内の流体のボイド率が第２閾値以上である場合、第１超音波センサーおよび第２超音波センサーの一方が気泡による超音波信号の反射を十分な強度で受信できなくても、２つのボイド率センサーを用いた相関法により管体内の流体の流量を高精度に測定することができる。しかも、ボイド率センサーの出力信号に基づいてこれらの測定方式の切り替えを適切に行うことができる。
【0096】
第３態様の好適例である第４態様において、前記第２閾値は、３５％以上４５％以下の範囲内である。以上の第４態様では、管体内の流体の測定精度を高めるように、周波数シフト法と相関法とを好適に切り替えることができる。
【0097】
第１態様から第４態様のいずれかの好適例である第５態様において、前記第１ボイド率センサーは、静電容量式のボイド率センサーである。以上の第５態様では、管体の外周面に第１ボイド率センサーを配置することができる。このため、第１ボイド率センサーの取り付けおよびメンテナンスを容易に行うことができる。
【0098】
本開示の好適例である第６態様の超音波流量計は、管体内の流体の流れる方向において互いに異なる位置で前記管体に配置され、前記管体内を介して超音波信号を互いに送受信可能な第１超音波センサーおよび第２超音波センサーと、前記管体に配置され、前記管体内の流体のボイド率に応じた信号を出力する第１ボイド率センサーと、前記管体内の流体の流れる方向において前記第１ボイド率センサーとは異なる位置で前記管体に配置され、前記管体内の流体のボイド率に応じた信号を出力する第２ボイド率センサーと、前記第１ボイド率センサーの出力信号に基づくボイド率が第３閾値未満である場合、前記第１超音波センサーと前記第２超音波センサーとの間の順方向での超音波信号と逆方向での超音波信号との伝搬時間差に基づいて前記管体内の流体の流量を算出し、前記第１ボイド率センサーの出力信号に基づくボイド率が前記第３閾値以上である場合、前記第１ボイド率センサーおよび前記第２ボイド率センサーの出力信号の相関に基づいて前記管体内の流体の流量を算出する処理装置と、を備える。
【0099】
以上の第６態様では、管体内の流体のボイド率が第３閾値未満である場合、第１超音波センサーおよび第２超音波センサーの一方が他方からの超音波信号を十分な強度で受信可能であることにより、伝搬時間差法により管体内の流体の流量を高精度に測定することができる。一方、管体内の流体のボイド率が第３閾値以上である場合、第１超音波センサーおよび第２超音波センサーの一方が他方からの超音波信号を十分な強度で受信できなかったり、第１超音波センサーおよび第２超音波センサーの一方が気泡による超音波信号の反射を十分な強度で受信できなかったりしても、２つのボイド率センサーを用いた相関法により管体内の流体の流量を高精度に測定することができる。しかも、ボイド率センサーの出力信号に基づいてこれらの測定方式の切り替えを適切に行うことができる。以上から、管体内の流体のボイド率が変動しても、管体内の液体の流量を高精度に測定することができる。
【符号の説明】
【0100】
１…超音波流量計、１Ａ…超音波流量計、１１…超音波センサー、１２…超音波センサー、２１…ボイド率センサー、２１ａ…電極、２１ｂ…電極、２２…ボイド率センサー、２２ａ…電極、２２ｂ…電極、３０…処理装置、３０Ａ…処理装置、３１…処理回路、３１ａ…ボイド率計測部、３１ｂ…判定部、３１ｃ…方式切替部、３１ｄ…検出信号処理部、３１ｅ…流量演算部、３１ｆ…出力部、３１ｇ…相関処理部、３２…記憶回路、３３…通信回路、１００…管体、ＤＦ…方向、ＦＬ…流体、Ｑ…流量、Ｑｇａｓ…流量、Ｓ１０…ステップ、Ｓ２０…ステップ、Ｓ３０…ステップ、Ｓ４０…ステップ、Ｓ５０…ステップ、Ｓ６０…ステップ、Ｓ７０…ステップ、Ｓ８０…ステップ、ＴＨ１…閾値、ＴＨ２…閾値、ＵＳ１…超音波信号、ＵＳ２…超音波信号、Ｖ…流速、ｔ１…伝搬時間、ｔ２…伝搬時間、Δｔ…伝搬時間差。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】