JP2016136103A - Ultrasonic flowmeter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超音波信号を利用して配管内を流れる流体の流量を測定する超音波流量計に関し、特に、複数種の流体が層状に分離した多相流であってもそれぞれの層の流量測定が可能な超音波流量計に関する。 The present invention relates to an ultrasonic flowmeter that measures the flow rate of a fluid flowing in a pipe using an ultrasonic signal, and in particular, the flow rate of each layer even in a multiphase flow in which a plurality of types of fluids are separated into layers. The present invention relates to an ultrasonic flowmeter capable of measurement.
超音波流量計は種々の方式が提案されているが、代表的な方式として、伝播時間差法が知られている。伝播時間差法を用いた流量測定は、図19(a)に示すように、被測定流体Fが流れる配管500の上下流に、超音波信号を送受信できる超音波センサ510a、510bを設置し、交互に超音波信号を送受信して、それぞれの伝播時間を測定する。 Various types of ultrasonic flowmeters have been proposed, and a propagation time difference method is known as a typical method. In the flow rate measurement using the propagation time difference method, as shown in FIG. 19A, ultrasonic sensors 510a and 510b capable of transmitting and receiving ultrasonic signals are installed upstream and downstream of the pipe 500 through which the fluid F to be measured flows. Ultrasonic signals are transmitted and received to measure their propagation times.
被測定流体Fの流れがないときは、上流側超音波センサ510aから下流側超音波センサ510bに超音波信号が伝播する時間と下流側超音波センサ510bから上流側超音波センサ510aに超音波信号が伝播する時間とは等しくなるが、流れがある場合には、下流側超音波センサ510bから上流側超音波センサ510aへ伝播する超音波信号よりも上流側超音波センサ510aから下流側超音波センサ510bへ伝播する超音波信号の方が速く伝播し、伝播時間に差が生じる。伝播時間の差は流れの速さに比例するため、この差に基づいて被測定流体Fの流速を測定することができる。得られた流速は、超音波信号の経路における流速の平均値となる。この流速に配管500の断面積と補正係数とを乗じることで流量が算出される。 When there is no flow of the fluid F to be measured, the ultrasonic signal propagates from the upstream ultrasonic sensor 510a to the downstream ultrasonic sensor 510b and the ultrasonic signal from the downstream ultrasonic sensor 510b to the upstream ultrasonic sensor 510a. However, when there is a flow, the ultrasonic signal from the upstream ultrasonic sensor 510a to the downstream ultrasonic sensor is lower than the ultrasonic signal propagating from the downstream ultrasonic sensor 510b to the upstream ultrasonic sensor 510a. The ultrasonic signal propagating to 510b propagates faster, resulting in a difference in propagation time. Since the difference in propagation time is proportional to the flow speed, the flow velocity of the fluid F to be measured can be measured based on this difference. The obtained flow velocity is an average value of the flow velocity in the path of the ultrasonic signal. The flow rate is calculated by multiplying the flow velocity by the cross-sectional area of the pipe 500 and the correction coefficient.
また、伝播時間差法以外の方式として、配管500内の被測定流体F中に含まれる気泡やパーティクルが被測定流体Fと同じ速度で移動すると仮定し、その移動速度を超音波信号で測定することで配管500の径に沿った流速分布(流速プロファイル)を生成して、被測定流体Fの流量を算出するパルスドップラー法、反射相関法も知られている。 Further, as a method other than the propagation time difference method, it is assumed that bubbles and particles contained in the fluid F to be measured in the pipe 500 move at the same speed as the fluid F to be measured, and the moving speed is measured with an ultrasonic signal. There are also known a pulse Doppler method and a reflection correlation method for generating a flow velocity distribution (flow velocity profile) along the diameter of the pipe 500 and calculating the flow rate of the fluid F to be measured.
パルスドップラー法は、図19(b)に示すように、超音波センサ510cから特定の周波数の超音波パルス信号を配管500内に斜めに入射し、被測定流体F中に含まれる気泡やパーティクル等の超音波反射体によって反射するエコー波を超音波センサ510cで受信する。 In the pulse Doppler method, as shown in FIG. 19B, an ultrasonic pulse signal having a specific frequency is incident obliquely into the pipe 500 from the ultrasonic sensor 510c, and bubbles or particles contained in the fluid F to be measured. The echo wave reflected by the ultrasonic reflector is received by the ultrasonic sensor 510c.
超音波反射体によって反射するエコー波は、ドップラー効果により、超音波反射体の移動速度に応じて周波数が変化するため、この変化量を検出することで、配管500内を流れる被測定流体Fの速度を求めることができる。 The frequency of the echo wave reflected by the ultrasonic reflector changes according to the moving speed of the ultrasonic reflector due to the Doppler effect. Therefore, by detecting the amount of change, the echo wave of the fluid F to be measured flowing in the pipe 500 is detected. The speed can be determined.
超音波反射体による反射は、配管500内の各所で起こるため、超音波信号を出射してからエコー波が検出されるまでの時間に基づいて径方向についての被測定流体Fの流速プロファイルを求めることができる。図20は、流速プロファイルの一例を示している。この流速プロファイルを配管500の断面に沿って積分することで、被測定流体Fの流量を算出することができる。 Since reflection by the ultrasonic reflector occurs in various places in the pipe 500, the flow velocity profile of the fluid F to be measured in the radial direction is obtained based on the time from when the ultrasonic signal is emitted until the echo wave is detected. be able to. FIG. 20 shows an example of the flow velocity profile. By integrating this flow velocity profile along the cross section of the pipe 500, the flow rate of the fluid F to be measured can be calculated.
反射相関法も、パルスドップラー法と同様に図19(b)に示す構成とし、超音波センサ510cから配管500内に向けて超音波パルス信号を2回出力して、流体内を流体とともに移動する超音波反射体からのエコー波を受信する。 Similarly to the pulse Doppler method, the reflection correlation method is also configured as shown in FIG. 19B, outputs an ultrasonic pulse signal twice from the ultrasonic sensor 510c into the pipe 500, and moves in the fluid together with the fluid. An echo wave from the ultrasonic reflector is received.
そして、受信した2個のエコー波について一方を参照波、他方を探索波として相関演算を行なう。その結果、相関係数の高い波形を同一の超音波反射体からのエコー波であるとみなし、その伝搬時間と時間差とに基づいて超音波反射体の位置と移動速度とを算出することで、流速プロファイルを求め、流体の流量を算出する。 Then, the correlation calculation is performed on the two received echo waves, with one being a reference wave and the other being a search wave. As a result, the waveform with a high correlation coefficient is regarded as an echo wave from the same ultrasonic reflector, and by calculating the position and moving speed of the ultrasonic reflector based on the propagation time and the time difference, The flow rate profile is obtained and the flow rate of the fluid is calculated.
例えば、図21に示すような、同一の超音波反射体からのエコー波とみなされた1回目の超音波パルス信号に対するエコー波T1と2回目の超音波パルス信号に対するエコー波T2とにおいて、時間差ΔTは、1回目の超音波パルス信号と2回目の超音波パルス信号との間に進んだ超音波反射体の距離、すなわち、被測定流体Fの速度に対応し、伝搬時間Tdは、超音波反射体の超音波センサ510cからの距離、すなわち、超音波反射体の配管500内の径方向の位置に対応する。超音波反射体による反射は、配管500内の各所で起こるため、配管内の径方向について、流速プロファイルを得ることができる。この流速プロファイルを配管500の断面に沿って積分することで流体の流量が算出される。 For example, as shown in FIG. 21, there is a time difference between the echo wave T1 for the first ultrasonic pulse signal regarded as an echo wave from the same ultrasonic reflector and the echo wave T2 for the second ultrasonic pulse signal. ΔT corresponds to the distance of the ultrasonic reflector that has traveled between the first ultrasonic pulse signal and the second ultrasonic pulse signal, that is, the velocity of the fluid F to be measured, and the propagation time Td is the ultrasonic wave This corresponds to the distance of the reflector from the ultrasonic sensor 510c, that is, the radial position in the pipe 500 of the ultrasonic reflector. Since reflection by the ultrasonic reflector occurs in various places in the pipe 500, a flow velocity profile can be obtained in the radial direction in the pipe. The flow rate of the fluid is calculated by integrating the flow velocity profile along the cross section of the pipe 500.
ここで、流量算出時に行なう積分について図22と図23とを参照して説明する。図22は、流速プロファイルと配管断面とを対応させて示し、図23は、積分の手順をフローチャートで示している。 Here, the integration performed when the flow rate is calculated will be described with reference to FIGS. FIG. 22 shows the flow velocity profile and the pipe cross section corresponding to each other, and FIG. 23 shows the integration procedure in a flowchart.
図22では、流速プロファイルを配管下部が下に位置し、配管上部が上に位置するように表示し、高さ方向に複数の区分に分割している。この分割幅を積分幅とする。各区分は、その区分の平均流速を算出する等により流速と対応付けることができる。積分幅を細かくするほど、流量算出の精度は向上する。積分幅に対応して配管内は同心半円上の複数の領域に区分される。 In FIG. 22, the flow velocity profile is displayed such that the lower part of the pipe is located below and the upper part of the pipe is located above, and is divided into a plurality of sections in the height direction. This division width is defined as an integration width. Each section can be associated with the flow velocity by calculating the average flow velocity of the section. The finer the integral width, the more accurate the flow rate calculation. The inside of the pipe is divided into a plurality of regions on a concentric semicircle corresponding to the integral width.
例えば、図22(a)に示すように最も下部の区分に着目した場合、この区分の流速は、配管下半分の最外周領域に適用することができる。このため、下半分の最外周領域の面積を求め、対応する区分の流速を乗じれば、下半分の最外周領域の流量が算出される。最外周領域の面積は、配管500の半径が既知であるため、設定した積分幅を用いて容易に求めることができる。この演算を図23(b)に示すように下半分および上半分の各区分について行ない、各区分に対応する領域の流量を合計することで、被測定流体Fの流量を算出することができる。 For example, when attention is paid to the lowermost section as shown in FIG. 22A, the flow velocity of this section can be applied to the outermost peripheral region of the lower half of the pipe. For this reason, if the area of the outermost peripheral region of the lower half is obtained and multiplied by the flow velocity of the corresponding section, the flow rate of the outermost peripheral region of the lower half is calculated. Since the radius of the pipe 500 is known, the area of the outermost peripheral region can be easily obtained using the set integral width. This calculation is performed for each of the lower half and the upper half as shown in FIG. 23 (b), and the flow rate of the fluid F to be measured can be calculated by summing the flow rates in the areas corresponding to the respective divisions.
そこで、積分を行なう際には、積分幅を設定し(図23:S801)、下半分について各領域の面積を算出して対応する流量を乗じる積分を行なう(S802)。上半分についても同様に各領域の面積を算出して対応する区分の流量を乗じる積分を行なう(S803)。そして、各領域の流量を合計する(S804)。これにより、被測定流体Fの流量が算出される。 Therefore, when integrating, the integration width is set (FIG. 23: S801), and the area of each region is calculated for the lower half, and integration is performed by multiplying the corresponding flow rate (S802). Similarly, for the upper half, the area of each region is calculated and integration is performed by multiplying the flow rate of the corresponding section (S803). And the flow volume of each area | region is totaled (S804). Thereby, the flow rate of the fluid F to be measured is calculated.
従来、超音波流量計による流量の測定は、単一種類の流体か複数種の流体が完全に混ざっている混合流を対象としており、複数種の流体が層状に分離した多相流については、全体の平均流量は測定できるものの、層毎の流量については測定することができなかった。 Conventionally, measurement of flow rate with an ultrasonic flowmeter is intended for single-type fluids or mixed flows in which multiple types of fluids are completely mixed, and for multiphase flows in which multiple types of fluids are separated into layers, Although the overall average flow rate could be measured, the flow rate for each layer could not be measured.
しかしながら、測定現場においては、海水と原油、重油と軽油といったように配管内を多相流が流れることがあり、この場合、層によって流速が異なるため、複数の層それぞれについて流量を測定することが望まれている。 However, at the measurement site, multiphase flow may flow in the piping such as seawater and crude oil, heavy oil and light oil, and in this case, the flow rate varies depending on the layer. It is desired.
そこで、本発明は、複数種の流体が層状に分離した多相流について層それぞれの流量を測定可能な超音波流量計を提供することを目的とする。 Then, an object of this invention is to provide the ultrasonic flowmeter which can measure the flow volume of each layer about the multiphase flow from which the multiple types of fluid isolate | separated into the layer form.
上記課題を解決するため、本発明の超音波流量計は、被測定流体が流れる配管内に超音波パルスを出射し、前記被測定流体に含まれる超音波反射体からの反射信号に基づいて流速プロファイルを生成する超音波流量計であって、前記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する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界面の個数およびそれぞれの界面位置を特定する界面判定部と、前記流速プロファイルと、前記界面位置とに基づいて前記被測定流体の流量を界面で区分される層毎に算出する流量算出部と、を備えたことを特徴とする。
ここで、前記界面判定部は、前記反射信号強度プロファイルにおける反射信号強度の所定基準以上の極大位置を界面と判定することができる。
また、前記流量算出部は、前記配管内を同心半円状領域に分割し、流量演算対象の層に含まれる領域の面積と、前記流速プロファイルに基づいて定められる流速とを乗じて得られる領域毎の流量を合計することで前記被測定流体の層毎の流量を算出することができる。
このとき、前記流速プロファイルに基づいて定められる流速は、その領域に対応する流速プロファイルが存在する場合はその流速プロファイルを適用し、その領域に対応する流速プロファイルが存在せず、その領域の同一円周上の他領域に対応する流速プロファイルが存在する場合はその流速プロファイルを適用し、その領域に対応する流速プロファイルが存在せず、その領域の同一円周上の他領域に対応する流速プロファイルも存在しない場合はその層の流速プロファイルを補間して得られる流速プロファイルを適用することができる。
また、前記配管の対向する位置から出射する超音波パルスの反射信号に基づいて、前記配管の満水/非満水状態を判定するようにしてもよい。
このとき、前記流量算出部は、前記配管が非満水状態と判定した場合に、気層と被測定流体との間を界面と扱うことができる。
前記配管が満水状態と判定され、かつ、界面の個数が0と判定された場合は、伝播時間差法による流量測定を行なうように切り替えてもよい。
In order to solve the above problems, an ultrasonic flowmeter of the present invention emits an ultrasonic pulse into a pipe through which a fluid to be measured flows, and a flow velocity based on a reflected signal from an ultrasonic reflector included in the fluid to be measured. An ultrasonic flow meter for generating a profile, a reflected signal intensity profile generating unit for generating a reflected signal intensity profile based on the received intensity of the reflected signal, and the number of interfaces based on the reflected signal intensity profile and the respective An interface determination unit that identifies an interface position, and a flow rate calculation unit that calculates the flow rate of the fluid to be measured for each layer divided by the interface based on the flow velocity profile and the interface position. And
Here, the interface determination unit can determine that the maximum position of the reflected signal intensity in the reflected signal intensity profile is equal to or greater than a predetermined reference as an interface.
The flow rate calculation unit is a region obtained by dividing the inside of the pipe into concentric semicircular regions and multiplying the area of the region included in the flow rate calculation target layer by the flow velocity determined based on the flow velocity profile. By summing the flow rates for each layer, the flow rate for each layer of the fluid to be measured can be calculated.
At this time, the flow velocity determined based on the flow velocity profile applies the flow velocity profile when the flow velocity profile corresponding to the region exists, does not exist, and the same circle in the region does not exist. If there is a flow velocity profile corresponding to another area on the circumference, that flow velocity profile is applied, there is no flow velocity profile corresponding to that area, and there is also a flow velocity profile corresponding to another area on the same circumference of that area. If not present, a flow rate profile obtained by interpolating the flow rate profile of the layer can be applied.
Further, the full / non-full state of the pipe may be determined based on a reflection signal of an ultrasonic pulse emitted from a position facing the pipe.
At this time, the flow rate calculation unit can handle the interface between the gas layer and the fluid to be measured when the pipe is determined to be in a non-full state.
When the pipe is determined to be full and the number of interfaces is determined to be 0, the pipe may be switched to perform flow rate measurement by the propagation time difference method.
本発明によれば、複数種の流体が層状に分離した多相流について層それぞれの流量を測定可能な超音波流量計が提供される。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the ultrasonic flowmeter which can measure the flow volume of each layer is provided about the multiphase flow from which the multiple types of fluid isolate | separated into the layer form.
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図1は、本発明の実施の形態の第1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。本例において、超音波流量計は配管500内を流れる被測定流体Fの流量を測定する。被測定流体Fは、単一種類の流体あるいは均一に混ざった混合流であってもよいし、複数種類の流体が層状に分離した多層流であってもよい。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an ultrasonic flowmeter according to a first example of an embodiment of the present invention. In this example, the ultrasonic flowmeter measures the flow rate of the fluid F to be measured flowing through the pipe 500. The fluid to be measured F may be a single type of fluid or a mixed flow that is uniformly mixed, or may be a multi-layer flow in which a plurality of types of fluids are separated into layers.
本図の例では流体F1と流体F2とが層になった2層流を示している。この場合、流体F1と流体F2とを総称して被測定流体Fと呼ぶものとする。なお、流体F1と流体F2との境界を界面と呼ぶものとする。本図のように2層流であれば界面は1つであり、3層流であれば界面は2つ存在することになる。 In the example of the figure, a two-layer flow in which the fluid F1 and the fluid F2 are layered is shown. In this case, the fluid F1 and the fluid F2 are collectively referred to as a fluid to be measured F. Note that the boundary between the fluid F1 and the fluid F2 is referred to as an interface. As shown in the figure, if there are two laminar flows, there is one interface, and if there are three laminar flows, there are two interfaces.
本図に示すように、超音波流量計は、超音波センサ210と測定制御部100とを備えている。本発明の第1実施例に係る超音波流量計は、パルスドップラー法あるいは反射相関法のいずれかの方式を用いるものとする。 As shown in the figure, the ultrasonic flowmeter includes an ultrasonic sensor 210 and a measurement control unit 100. The ultrasonic flowmeter according to the first embodiment of the present invention uses either the pulse Doppler method or the reflection correlation method.
超音波センサ210は、超音波信号の送受信を行なうデバイスであり、配管500の外側下部に超音波信号が配管軸方向斜めに出射されるように取り付けられる(クランプオン方式、セミクランプオン方式)。すなわち、本実施例の超音波流量計は、被測定流体Fに非接触の状態で流量測定を行なうことができる。ただし、超音波センサ210を配管500の中に差し込む取り付け方法(スプールピース方式)等を採用してもよい。 The ultrasonic sensor 210 is a device that transmits and receives an ultrasonic signal, and is attached to the outer lower portion of the pipe 500 so that the ultrasonic signal is emitted obliquely in the pipe axis direction (clamp-on method, semi-clamp-on method). That is, the ultrasonic flowmeter of the present embodiment can measure the flow rate without contacting the fluid F to be measured. However, an attachment method (spool piece method) in which the ultrasonic sensor 210 is inserted into the pipe 500 may be employed.
測定制御部100は、出力制御部110、受信制御部120、流速プロファイル生成部130、反射信号強度プロファイル生成部140、界面判定部150、流量算出部160、測定結果出力部170を備えている。 The measurement control unit 100 includes an output control unit 110, a reception control unit 120, a flow velocity profile generation unit 130, a reflected signal intensity profile generation unit 140, an interface determination unit 150, a flow rate calculation unit 160, and a measurement result output unit 170.
出力制御部110は、超音波信号の出力制御を行ない、受信制御部120は、超音波信号の受信制御を行なう。受信制御部120が受信対象とする超音波信号は、出力制御部110が出力した超音波信号に対する被測定流体Fに含まれる超音波反射体からのエコー波である。 The output control unit 110 performs output control of the ultrasonic signal, and the reception control unit 120 performs reception control of the ultrasonic signal. The ultrasonic signal to be received by the reception control unit 120 is an echo wave from the ultrasonic reflector included in the fluid F to be measured with respect to the ultrasonic signal output by the output control unit 110.
流速プロファイル生成部130は、受信制御部120で受信した超音波信号に基づいて配管500の径(上下)方向についての流速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140は、受信制御部120で受信した超音波信号に基づいて配管500の径(上下)方向についての反射信号強度プロファイルを生成する。 The flow velocity profile generation unit 130 generates a flow velocity profile in the diameter (up and down) direction of the pipe 500 based on the ultrasonic signal received by the reception control unit 120. The reflected signal intensity profile generation unit 140 generates a reflected signal intensity profile for the diameter (up and down) direction of the pipe 500 based on the ultrasonic signal received by the reception control unit 120.
ここで、反射信号強度プロファイルは、超音波反射体からのエコー波の強度を測定し、エコー波の検出時間に基づいて配管500の径(上下)方向についての反射信号強度分布を表わしたものである。なお、第1実施例に係る超音波流量計は、パルスドップラー法、反射相関法のいずれかの方式としたが、流速プロファイルおよび反射信号強度プロファイルを生成することができれば他の方式を用いてもよい。 Here, the reflected signal intensity profile represents the reflected signal intensity distribution in the diameter (up and down) direction of the pipe 500 based on the echo wave detection time after measuring the intensity of the echo wave from the ultrasonic reflector. is there. Although the ultrasonic flowmeter according to the first embodiment uses either the pulse Doppler method or the reflection correlation method, other methods can be used as long as the flow velocity profile and the reflected signal intensity profile can be generated. Good.
界面判定部150は、反射信号強度プロファイルに基づいて界面の有無を判定し、界面がある場合にはさらに界面の高さSを特定する。これは、流体の特性が変化する界面において反射信号強度が強くなることを利用したものである。流量算出部160は、流速プロファイルと界面の有無、界面がある場合の界面の高さSに基づいて被測定流体Fの流量を算出する。測定結果出力部170は、算出された被測定流体Fの流量を測定結果として出力する。 The interface determination unit 150 determines the presence or absence of an interface based on the reflected signal intensity profile, and further specifies the height S of the interface when there is an interface. This utilizes the fact that the intensity of the reflected signal is increased at the interface where the characteristics of the fluid change. The flow rate calculation unit 160 calculates the flow rate of the fluid F to be measured based on the flow velocity profile, the presence or absence of an interface, and the height S of the interface when there is an interface. The measurement result output unit 170 outputs the calculated flow rate of the fluid F to be measured as a measurement result.
次に、第1実施例の超音波流量計における流量測定の手順について図2のフローチャートを参照して説明する。第1実施例では、配管500を満水状態で流れる複層流(単層を含む)の層数を判定し、それぞれの層について流量を測定する。 Next, the flow rate measurement procedure in the ultrasonic flowmeter of the first embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG. In the first embodiment, the number of layers of a multi-layer flow (including a single layer) flowing through the pipe 500 in a full state is determined, and the flow rate is measured for each layer.
まず、測定に際しての各種設定を行なう(S101)。各種設定では、配管500の内径、超音波センサ210の取付角度、その他パラメータ等の設定を行なう。 First, various settings for measurement are performed (S101). In various settings, the inner diameter of the pipe 500, the mounting angle of the ultrasonic sensor 210, and other parameters are set.
各種設定を行なうと、パルスドップラー法あるいは反射相関法のいずれかの方式で測定を実行する(S102)。いずれの方式も、プロファイルを生成できるように、繰り返し超音波信号を出力して測定を行なう。 When various settings are made, measurement is performed by either the pulse Doppler method or the reflection correlation method (S102). In either method, measurement is performed by repeatedly outputting ultrasonic signals so that a profile can be generated.
パルスドップラー法の場合は、特定の周波数の超音波パルス信号を配管500内に出力し、超音波反射体によって反射するエコー波を超音波センサ210で受信する。このときの周波数の変化と受信強度とを検出時間毎に測定する。反射相関法の場合は、超音波パルス信号を2回出力して、超音波反射体からのエコー波を受信する。そして、相関係数の高い波形を同一の超音波反射体からのエコー波であるとみなし、その伝搬時間と時間差とに基づいて超音波反射体の位置と移動速度とを算出するとともに、受信強度を測定する。 In the case of the pulse Doppler method, an ultrasonic pulse signal having a specific frequency is output into the pipe 500, and an echo wave reflected by the ultrasonic reflector is received by the ultrasonic sensor 210. The change in frequency and the received intensity at this time are measured for each detection time. In the case of the reflection correlation method, an ultrasonic pulse signal is output twice and an echo wave from the ultrasonic reflector is received. The waveform having a high correlation coefficient is regarded as an echo wave from the same ultrasonic reflector, and the position and moving speed of the ultrasonic reflector are calculated based on the propagation time and the time difference, and the received intensity Measure.
測定を繰り返して得られた結果を基に、流速プロファイル生成部130が流速プロファイルを生成し(S103)、反射信号強度プロファイル生成部140が反射信号強度プロファイルを生成する(S104)。 Based on the result obtained by repeating the measurement, the flow velocity profile generator 130 generates a flow velocity profile (S103), and the reflected signal intensity profile generator 140 generates a reflected signal intensity profile (S104).
ついで、界面判定部150が、反射信号強度プロファイルに基づいて界面の有無を判定し、界面がある場合は界面の個数とそれぞれの位置を特定する(S105)。ここで、被測定流体Fが単一種類の単層流であれば、一般に、図3に示すような流速プロファイルと反射信号強度プロファイルとが得られる。すなわち、反射信号強度プロファイルは、超音波センサ210の取り付け側に対向する側の配管壁面以外は極端に変化する部分を持たずになだらかな形状となる。 Next, the interface determination unit 150 determines the presence / absence of an interface based on the reflected signal intensity profile, and if there is an interface, specifies the number of interfaces and their positions (S105). Here, if the fluid F to be measured is a single type of single-layer flow, generally, a flow velocity profile and a reflected signal intensity profile as shown in FIG. 3 are obtained. That is, the reflected signal intensity profile has a gentle shape without having an extremely changing portion except for the pipe wall surface on the side facing the mounting side of the ultrasonic sensor 210.
これに対して、図4(a)に示すように被測定流体Fが2種類の流体からなる多相流で、1つの界面が存在する場合には、図4(b)に示すように、反射信号強度プロファイルが、界面に対応する位置で数倍程度に極めて大きくなる。 On the other hand, when the fluid to be measured F is a multiphase flow composed of two kinds of fluids as shown in FIG. 4A and one interface exists, as shown in FIG. The reflected signal intensity profile becomes extremely large several times at the position corresponding to the interface.
同様に、図5(a)に示すように被測定流体Fが3種類の流体からなる多相流で、2つの界面が存在する場合には、図5(b)に示すように、反射信号強度プロファイルが、界面に対応する2つの位置で極めて大きくなる。 Similarly, when the fluid F to be measured is a multiphase flow composed of three kinds of fluids as shown in FIG. 5A and there are two interfaces, the reflected signal is shown in FIG. 5B. The intensity profile becomes very large at the two positions corresponding to the interface.
このため、界面判定部150は、反射信号強度プロファイルに配管壁以外の場所に所定基準以上の極大部分があるかどうかで界面の有無を判定し、極大部分の個数と位置で界面の個数と高さを特定することができる。なお、反射信号強度プロファイルを微分して、正から負に切り替わる箇所を界面と判定してもよい。 For this reason, the interface determination unit 150 determines the presence or absence of an interface based on whether or not there is a local maximum portion that exceeds a predetermined reference in a location other than the pipe wall in the reflected signal intensity profile. Can be specified. Alternatively, the reflected signal intensity profile may be differentiated, and a portion where the reflected signal intensity profile is switched from positive to negative may be determined as the interface.
界面の個数と高さの判定を行なうと、流量算出部160は、演算対象の層を設定する(S106)。演算対象の層は、例えば、最下層から順番に設定することができる。 After determining the number and height of the interfaces, the flow rate calculation unit 160 sets a calculation target layer (S106). For example, the calculation target layers can be set in order from the lowest layer.
そして、演算対象の層について流量演算を実行して(S107)、その層の流量を算出する。流量演算処理(S107)の詳細な手順については後述する。演算対象の層についての流量演算を実行すると、未処理の層がある場合には(S108:Yes)、未処理のいずれかの層を演算対象の層として設定し(S106)、演算対象の層について流量演算を実行して(S107)、演算対象の層の流量を算出する。未処理の層がない場合(S108:No)、すなわち、すべての層について流量演算を行なうと、各層についての流量を測定結果として出力する(S109)。 Then, the flow rate calculation is executed for the calculation target layer (S107), and the flow rate of the layer is calculated. The detailed procedure of the flow rate calculation process (S107) will be described later. When the flow rate calculation is performed on the calculation target layer and there is an unprocessed layer (S108: Yes), any unprocessed layer is set as the calculation target layer (S106), and the calculation target layer is set. The flow rate calculation is executed for (S107), and the flow rate of the calculation target layer is calculated. When there is no unprocessed layer (S108: No), that is, when the flow rate calculation is performed for all layers, the flow rate for each layer is output as a measurement result (S109).
次に、流量演算処理(S107)の詳細な手順について、図6のフローチャートを参照して説明する。従来と同様に積分幅を設定すると(S201)、演算対象となっている層が最下層であれば(S202:Yes)、最下層流量演算(S203)を行ない、演算対象となっている層が最上層であれば(S202:No、S204:Yes)、最上層流量演算(S205)を行ない、演算対象となっている層が中間層であれば(S202:No、S204:No)、中間層流量演算(S205)を行なう。被測定流体Fが単層の場合は、最下層流量演算(203)を行なうものとする。中間層は、被測定流体Fが3層以上の場合に、最下層と最上層とに挟まれる層である。 Next, a detailed procedure of the flow rate calculation process (S107) will be described with reference to the flowchart of FIG. When the integral width is set as in the conventional case (S201), if the layer to be calculated is the lowest layer (S202: Yes), the lowest layer flow rate calculation (S203) is performed, and the layer to be calculated is If it is the uppermost layer (S202: No, S204: Yes), the uppermost layer flow rate calculation (S205) is performed. If the calculation target layer is the intermediate layer (S202: No, S204: No), the intermediate layer A flow rate calculation (S205) is performed. When the fluid F to be measured is a single layer, the lowest layer flow rate calculation (203) is performed. The intermediate layer is a layer sandwiched between the lowermost layer and the uppermost layer when the fluid to be measured F has three or more layers.
<最下層流量演算>
図7は、最下層流量演算(S203)の手順を示すフローチャートである。最下層流量演算では、最下層の上側界面位置が配管500の中心以下かどうかで場合分けを行なう(S301)。
<Lower layer flow rate calculation>
FIG. 7 is a flowchart showing the procedure of the lowest layer flow rate calculation (S203). In the lowest layer flow rate calculation, the case is divided depending on whether the upper interface position of the lowest layer is below the center of the pipe 500 (S301).
図8(a)に示すように、最下層の界面位置が配管500の中心以下であれば(S301:Yes)、図8(b)のハッチング領域に示すように、積分幅毎に、上部が切り取られた半円周状の各領域の面積を算出し、対応する流速を乗じて合計すればよい。 As shown in FIG. 8A, if the interface position of the lowermost layer is below the center of the pipe 500 (S301: Yes), the upper part is shown for each integral width as shown in the hatched area of FIG. 8B. What is necessary is just to calculate the area of each semicircular area | region cut out, and to multiply by a corresponding flow velocity and to total.
そこで、所定の順序で面積を算出する対象領域を設定する(S302)。図9(a)は、最外周部分を対象領域とした場合を示している。 Therefore, a target area whose area is calculated in a predetermined order is set (S302). FIG. 9A shows a case where the outermost peripheral portion is the target region.
そして、対象領域の半径Rと高さHhとから、対象領域の中心角の半分の角度θを算出する(S303)。ここで、半径Rは、対象領域の外周を弧とした扇形の半径であり、高さHhは、対象領域の外周の最下部から界面までの高さである。このとき、cosθ=(R−Hh)/Rが成り立つため、角度θを算出することができる。なお、最外周部分を対象領域とした場合は、半径Rは、配管500の半径に等しく、高さHは、界面高さに等しくなる。 Then, from the radius R and the height Hh of the target area, an angle θ that is half the central angle of the target area is calculated (S303). Here, the radius R is a fan-shaped radius with the outer periphery of the target region as an arc, and the height Hh is the height from the lowermost part of the outer periphery of the target region to the interface. At this time, since cos θ = (R−Hh) / R holds, the angle θ can be calculated. When the outermost peripheral portion is the target region, the radius R is equal to the radius of the pipe 500, and the height H is equal to the interface height.
角度θが得られれば、領域の外周を弧とした半径R、中心角2θの扇形の面積から、領域の内周を弧とした半径(R−積分幅d)、中心角2θの扇形の面積を引くことで対象領域の面積を算出することができる(S304)。この面積に対応する区分の流速を乗じることで対象領域の流量が算出される(S305)。 If the angle θ is obtained, the radius R with the outer periphery of the region as an arc and the fan-shaped area with the central angle 2θ, the radius with the inner periphery of the region as an arc (R−integral width d), and the sector-shaped area with the central angle 2θ. The area of the target region can be calculated by subtracting (S304). The flow rate of the target region is calculated by multiplying the flow velocity of the section corresponding to this area (S305).
以上の対象領域の流量を算出する処理を下半分の全領域に対して繰り返す(S306)。図9(b)、図9(c)は、対象領域を変化させたときの半径R、高さH、中心角θを示している。 The above-described process for calculating the flow rate of the target area is repeated for the entire lower half area (S306). FIG. 9B and FIG. 9C show the radius R, height H, and center angle θ when the target region is changed.
下半分の全領域に対して流量を算出する処理を行なうと(S306:Yes)、各領域の流量を合計する(S307)。 When the process of calculating the flow rate is performed on the entire lower half region (S306: Yes), the flow rates of the respective regions are summed (S307).
図10(a)に示すように、最下層の上側界面位置が配管500の中心以上であれば(S301:No)、図10(b)のハッチング領域に示すように、下半分については従来と同様の積分処理を行ない、上半分については積分幅毎に、半円周状あるいは上部が切り取られた半円周状の各領域の面積を算出し、対応する流速を乗じて合計すればよい。 As shown in FIG. 10 (a), if the upper interface position of the lowermost layer is equal to or higher than the center of the pipe 500 (S301: No), as shown in the hatched area of FIG. Similar integration processing is performed, and for the upper half, for each integration width, the area of each semicircular region or semicircular region with the upper part cut off may be calculated and multiplied by the corresponding flow velocity.
ただし、図10(b)中の太線枠内のように、演算対象の層の流速プロファイルが存在しない領域が発生する場合がある。この場合は、同一円周上の下半分の流速プロファイルを流用するものとする。 However, there may be a region where the flow velocity profile of the calculation target layer does not exist, as in the thick line frame in FIG. In this case, the lower half flow velocity profile on the same circumference is used.
そこで、最下層の界面位置が配管500の中心以上の場合は(S301:Yes)、下半分の領域については、従来と同様の手順で積分を実行する(S308)。また、上半分の積分については以下のように行なう。 Therefore, when the interface position of the lowermost layer is not less than the center of the pipe 500 (S301: Yes), the integration is executed in the same procedure as the conventional method for the lower half region (S308). The upper half of the integration is performed as follows.
まず、上半分で対象領域を設定する(S309)。図11(a)は、最外周部分を対象領域とした場合の例である。そして、対象領域の半径Rが配管500中心から界面までの高さKよりも大きいかどうかを判定する(S310)。ここで、対象領域の半径Rが配管500中心から界面までの高さKよりも大きい場合は、対象領域の上部分が界面により切り取られ、左右2つの部分に分割されることになる。一方、対象領域の半径Rが配管500中心から界面までの高さKよりも小さい場合は、対象領域は界面と交わらず、半円弧状のままとなる。 First, a target area is set in the upper half (S309). FIG. 11A shows an example in which the outermost peripheral portion is the target region. Then, it is determined whether the radius R of the target area is larger than the height K from the center of the pipe 500 to the interface (S310). Here, when the radius R of the target area is larger than the height K from the center of the pipe 500 to the interface, the upper part of the target area is cut off by the interface and divided into two left and right parts. On the other hand, when the radius R of the target area is smaller than the height K from the center of the pipe 500 to the interface, the target area does not cross the interface and remains in a semicircular arc shape.
図11(a)、図11(b)は、対象領域の半径Rが配管500中心から界面までの高さKよりも大きい場合であり、図11(c)は、対象領域の半径Rが配管500中心から界面までの高さKよりも小さい場合である。 11A and 11B show a case where the radius R of the target region is larger than the height K from the center of the pipe 500 to the interface, and FIG. 11C shows that the radius R of the target region is the pipe. This is a case where the height from the 500 center to the interface is smaller than K.
対象領域の半径Rが配管500中心から界面までの高さKよりも大きい場合には(S310:Yes)、半径Rと配管500中心から界面までの高さKとから、対象領域の一方の領域の中心角θを算出する(S311)。ここで、図11(a)、図11(b)に示すように、sinθ=K/Rが成り立つため、角度θを算出することができる。なお、最外周部分を対象領域とした場合は、半径Rは、配管500の半径に等しく、高さKは、界面高さSから配管500の半径を引いた値に等しくなる。 When the radius R of the target area is larger than the height K from the center of the pipe 500 to the interface (S310: Yes), one area of the target area is calculated from the radius R and the height K from the center of the pipe 500 to the interface. Is calculated (S311). Here, as shown in FIGS. 11A and 11B, since sin θ = K / R holds, the angle θ can be calculated. When the outermost peripheral portion is the target region, the radius R is equal to the radius of the pipe 500, and the height K is equal to the value obtained by subtracting the radius of the pipe 500 from the interface height S.
一方、対象領域の半径Rが配管500中心から界面までの高さKよりも小さい場合には(S319:No)、一律にθ=90°とすればよい(S312)。 On the other hand, when the radius R of the target area is smaller than the height K from the center of the pipe 500 to the interface (S319: No), θ may be uniformly set to 90 ° (S312).
角度θが得られれば、領域の外周を弧とした半径R、中心角θの扇形の面積の2倍から、領域の内周を弧とした半径(R−積分幅d)、中心角θの扇形の面積の2倍を引くことで対象領域の面積を算出することができる(S313)。 If the angle θ is obtained, the radius R with the outer periphery of the region as an arc, the radius of the sector angle of the central angle θ from twice the sector area, the radius with the inner periphery of the region as an arc (R−integral width d), and the central angle θ The area of the target region can be calculated by subtracting twice the fan-shaped area (S313).
対象領域の面積が算出されると、対応する流速を設定する(S314)。上述のように、対象領域に対応する流速プロファイルがある場合には、その流速を流量演算に用い、対象領域に対応する流速プロファイルがない場合には、その領域の同一円周上の下半分領域に対応する流速プロファイルの流速を流量演算に用いものとする。 When the area of the target region is calculated, a corresponding flow velocity is set (S314). As described above, when there is a flow velocity profile corresponding to the target region, the flow velocity is used for the flow rate calculation, and when there is no flow velocity profile corresponding to the target region, the lower half region on the same circumference of the region. The flow rate of the flow rate profile corresponding to is used for the flow rate calculation.
そして、対象領域の面積と設定された流速を乗じることで対象領域の流量が算出される(S315)。 Then, the flow rate of the target region is calculated by multiplying the area of the target region by the set flow velocity (S315).
以上の対象領域の流量を算出する処理を上半分の全領域に対して繰り返す(S316)。上半分の全領域に対して流量を算出する処理を行なうと(S316:Yes)、下半分および上半分の各領域の流量を合計する(S317)。これにより、最下層の流量が算出される(S203)。 The above process for calculating the flow rate of the target area is repeated for the entire upper half area (S316). When the process of calculating the flow rate is performed on the entire upper half region (S316: Yes), the flow rates of the lower half and upper half regions are summed (S317). Thereby, the flow rate of the lowest layer is calculated (S203).
<最上層流量演算>
次に、最上層流量演算(S205)について説明する。図12は、最上層流量演算(S205)の手順を示すフローチャートである。最上層流量演算では、最下流流量演算と上下を反転させた処理を行なえばよい。すなわち、最上層の下側界面位置が配管500の中心以下かどうかで場合分けを行なう(S401)。
<Top layer flow rate calculation>
Next, the uppermost layer flow rate calculation (S205) will be described. FIG. 12 is a flowchart showing the procedure of the uppermost layer flow rate calculation (S205). In the uppermost layer flow rate calculation, it is only necessary to perform processing that is inverted upside down from the most downstream flow rate calculation. That is, the case is divided according to whether the lower interface position of the uppermost layer is below the center of the pipe 500 (S401).
最上層の界面位置が配管500の中心以上であれば(S401:Yes)、積分幅毎に、下部が切り取られた半円周状の各領域の面積を算出し、対応する流速を乗じて合計すればよい。 If the interface position of the uppermost layer is greater than or equal to the center of the pipe 500 (S401: Yes), the area of each semicircular region with the lower part cut off is calculated for each integral width, and the total is multiplied by the corresponding flow velocity. do it.
そこで、所定の順序で面積を算出する対象領域を設定する(S402)。そして、対象領域の半径Rと高さHhとから、対象領域の中心角の半分の角度θを算出する(S403)。ここで、半径Rは、対象領域の外周を弧とした扇形の半径であり、高さHhは、対象領域の界面から外周の最上部までの距離である。このとき、cosθ=(R−Hh)/Rが成り立つため、角度θを算出することができる。なお、最外周部分を対象領域とした場合は、半径Rは、配管500の半径に等しく、高さHは、界面から配管頂点までの距離に等しくなる。 Therefore, a target area whose area is calculated in a predetermined order is set (S402). Then, from the radius R and the height Hh of the target area, an angle θ that is half the central angle of the target area is calculated (S403). Here, the radius R is a fan-shaped radius with the outer periphery of the target region as an arc, and the height Hh is the distance from the interface of the target region to the top of the outer periphery. At this time, since cos θ = (R−Hh) / R holds, the angle θ can be calculated. When the outermost peripheral portion is the target region, the radius R is equal to the radius of the pipe 500, and the height H is equal to the distance from the interface to the pipe apex.
角度θが得られれば、領域の外周を弧とした半径R、中心角2θの扇形の面積から、領域の内周を弧とした半径(R−積分幅d)、中心角2θの扇形の面積を引くことで対象領域の面積を算出することができる(S404)。この面積に対応する区分の流速を乗じることで対象領域の流量が算出される(S405)。 If the angle θ is obtained, the radius R with the outer periphery of the region as an arc and the fan-shaped area with the central angle 2θ, the radius with the inner periphery of the region as an arc (R−integral width d), and the sector-shaped area with the central angle 2θ. The area of the target region can be calculated by subtracting (S404). The flow rate in the target area is calculated by multiplying the flow velocity of the section corresponding to this area (S405).
以上の対象領域の流量を算出する処理を上半分の全領域に対して繰り返す(S406)。 The above process for calculating the flow rate of the target area is repeated for the entire upper half area (S406).
上半分の全領域に対して流量を算出する処理を行なうと(S406:Yes)、各領域の流量を合計する(S407)。 When the process of calculating the flow rate is performed on all the upper half regions (S406: Yes), the flow rates of the respective regions are summed (S407).
最上層の下側界面位置が配管500の中心以下の場合は(S401:No)、上半分の領域については、従来と同様の手順で積分を実行する(S408)。また、下半分の積分については以下のように行なう。 When the lower interface position of the uppermost layer is not more than the center of the pipe 500 (S401: No), the upper half region is integrated by the same procedure as the conventional one (S408). The lower half integration is performed as follows.
まず、下半分で対象領域を設定する(S409)。そして、対象領域の半径Rが界面から配管500の中心までの高さKよりも大きいかどうかを判定する(S410)。ここで、対象領域の半径Rが界面から配管500中心までの高さKよりも大きい場合は、対象領域の下部分が界面により切り取られ、左右2つの部分に分割されることになる。一方、対象領域の半径Rが界面から配管500中心までの高さKよりも小さい場合は、対象領域は界面と交わらず、半円弧状のままとなる。 First, a target area is set in the lower half (S409). Then, it is determined whether or not the radius R of the target region is larger than the height K from the interface to the center of the pipe 500 (S410). Here, when the radius R of the target region is larger than the height K from the interface to the center of the pipe 500, the lower part of the target region is cut off by the interface and divided into two left and right parts. On the other hand, when the radius R of the target area is smaller than the height K from the interface to the center of the pipe 500, the target area does not intersect the interface and remains in a semicircular arc shape.
対象領域の半径Rが界面から配管500中心までの高さKよりも大きい場合には(S410:Yes)、半径Rと界面から配管500中心までの高さKとから、対象領域の一方の領域の中心角θを算出する(S411)。 When the radius R of the target area is larger than the height K from the interface to the center of the pipe 500 (S410: Yes), one area of the target area is calculated from the radius R and the height K from the interface to the center of the pipe 500. Is calculated (S411).
一方、対象領域の半径Rが界面から配管500中心までの高さKよりも小さい場合には(S319:No)、一律にθ=90°とすればよい(S412)。 On the other hand, when the radius R of the target region is smaller than the height K from the interface to the center of the pipe 500 (S319: No), θ may be uniformly set to 90 ° (S412).
角度θが得られれば、領域の外周を弧とした半径R、中心角θの扇形の面積の2倍から、領域の内周を弧とした半径(R−積分幅d)、中心角θの扇形の面積の2倍を引くことで対象領域の面積を算出することができる(S413)。 If the angle θ is obtained, the radius R with the outer periphery of the region as an arc, the radius of the sector angle of the central angle θ from twice the sector area, the radius with the inner periphery of the region as an arc (R−integral width d), and the central angle θ The area of the target region can be calculated by subtracting twice the fan-shaped area (S413).
対象領域の面積が算出されると、対応する流速を設定する(S414)。対象領域に対応する流速プロファイルがある場合には、その流速を流量演算に用い、対象領域に対応する流速プロファイルがない場合には、その領域の同一円周上の上半分領域に対応する流速プロファイルの流速を流量演算に用いものとする。 When the area of the target region is calculated, a corresponding flow velocity is set (S414). If there is a flow velocity profile corresponding to the target area, the flow velocity is used for the flow rate calculation. If there is no flow velocity profile corresponding to the target area, the flow velocity profile corresponding to the upper half area on the same circumference of the area. Is used for the flow rate calculation.
そして、対象領域の面積と設定された流速を乗じることで対象領域の流量が算出される(S415)。 Then, the flow rate of the target region is calculated by multiplying the area of the target region by the set flow velocity (S415).
以上の対象領域の流量を算出する処理を下半分の全領域に対して繰り返す(S416)。下半分の全領域に対して流量を算出する処理を行なうと(S416:Yes)、下半分および上半分の各領域の流量を合計する(S417)。これにより、最上層の流量が算出される(S205)。 The above process for calculating the flow rate of the target area is repeated for all the lower half areas (S416). When the process of calculating the flow rate is performed for the entire lower half region (S416: Yes), the flow rates of the lower half region and the upper half region are summed (S417). Thereby, the flow rate of the uppermost layer is calculated (S205).
<中間層流量演算>
次に、中間層流量演算(S206)について説明する。図13、図14は、中間層流量演算(S206)の手順を示すフローチャートである。中間層流量演算では、演算対象の中間層が配管500の中心を跨ぐかどうか、すなわち配管中心500が中間層の上界面と下界面との間にあるかどうかで場合分けを行なう(S501)。
<Intermediate layer flow calculation>
Next, the intermediate layer flow rate calculation (S206) will be described. 13 and 14 are flowcharts showing the procedure of the intermediate layer flow rate calculation (S206). In the intermediate layer flow rate calculation, cases are classified according to whether the calculation target intermediate layer straddles the center of the pipe 500, that is, whether the pipe center 500 is between the upper interface and the lower interface of the intermediate layer (S501).
図15(a)に示すように、中間層が配管500の中心を跨ぐ場合は(S501:Yes)、図15(b)のハッチング領域に示すように、下半分と上半分それぞれについて積分幅毎に各領域の面積を算出し、対応する流速を乗じて合計すればよい。 As shown in FIG. 15A, when the intermediate layer straddles the center of the pipe 500 (S501: Yes), as shown in the hatched area of FIG. The area of each region can be calculated and multiplied by the corresponding flow velocity to be totaled.
ただし、図15(a)中の黒塗り領域のように、演算対象の層の流速プロファイルが存在せず、同一円周上の他方の流速プロファイルも存在しない場合がある。この場合は、図15(b)に示すように、その層の流速プロファイル曲線を補間して流速を定めるものとする。流速プロファイル曲線の補間は、例えば、界面付近の曲線を補間使用範囲と定めて曲線近似により行なうことができる。このとき、補間使用範囲は、配管中心を跨がないことが望ましい。 However, there is a case where the flow velocity profile of the calculation target layer does not exist and the other flow velocity profile on the same circumference does not exist like the black region in FIG. In this case, as shown in FIG. 15B, the flow velocity profile curve of that layer is interpolated to determine the flow velocity. The flow velocity profile curve can be interpolated, for example, by approximating the curve near the interface as the interpolation use range. At this time, it is desirable that the interpolation use range does not straddle the pipe center.
なお、演算対象の層の流速プロファイルが存在せず、同一円周上の他方の流速プロファイルが存在する場合は、他方の流速プロファイルを流用すればよい。 If the flow velocity profile of the layer to be calculated does not exist and the other flow velocity profile on the same circumference exists, the other flow velocity profile may be used.
そこで、まず、下半分について所定の順序で流量を算出する対象領域を設定する(S502)。下半分の対象領域の面積算出は、流速プロファイルの補間を行なう場合以外は、最上層流量演算(S205)における界面が配管500の中心以下の場合の、下半分の対象領域の面積算出と同様である。 Therefore, first, a target region for calculating the flow rate in a predetermined order is set for the lower half (S502). The area calculation of the lower half target area is the same as the area calculation of the lower half target area when the interface in the uppermost layer flow rate calculation (S205) is below the center of the pipe 500, except when the flow velocity profile is interpolated. is there.
すなわち、下半分で対象領域を設定し(S502)、対象領域の半径Rが界面から配管500の中心までの高さKよりも大きいかどうかを判定する(S503)。 That is, the target area is set in the lower half (S502), and it is determined whether the radius R of the target area is larger than the height K from the interface to the center of the pipe 500 (S503).
対象領域の半径Rが界面から配管500中心までの高さKよりも大きい場合には(S503:Yes)、半径Rと界面から配管500中心までの高さKとから、対象領域の一方の領域の中心角θを算出する(S504)。一方、対象領域の半径Rが界面から配管500中心までの高さKよりも小さい場合には(S503:No)、一律にθ=90°とすればよい(S505)。 When the radius R of the target area is larger than the height K from the interface to the center of the pipe 500 (S503: Yes), one area of the target area is calculated from the radius R and the height K from the interface to the center of the pipe 500. Is calculated (S504). On the other hand, when the radius R of the target region is smaller than the height K from the interface to the center of the pipe 500 (S503: No), θ may be uniformly set to 90 ° (S505).
角度θが得られれば、領域の外周を弧とした半径R、中心角θの扇形の面積の2倍から、領域の内周を弧とした半径(R−積分幅d)、中心角θの扇形の面積の2倍を引くことで対象領域の面積を算出することができる(S506)。 If the angle θ is obtained, the radius R with the outer periphery of the region as an arc, the radius of the sector angle of the central angle θ from twice the sector area, the radius with the inner periphery of the region as an arc (R−integral width d), and the central angle θ The area of the target region can be calculated by subtracting twice the fan-shaped area (S506).
対象領域の面積が算出されると、対応する流速を設定する(S507)。対象領域に対応する流速プロファイルがある場合には、その流速を流量演算に用い、対象領域に対応する流速プロファイルがない場合には、その領域の同一円周上の上半分領域に対応する流速プロファイルがあれば、その流速を流量演算に用い、その領域の同一円周上の上半分領域に対応する流速プロファイルがなければ、演算対象層の流速プロファイルを補間して得られた流速を流量演算に用いるものとする。 When the area of the target region is calculated, a corresponding flow velocity is set (S507). If there is a flow velocity profile corresponding to the target area, the flow velocity is used for the flow rate calculation. If there is no flow velocity profile corresponding to the target area, the flow velocity profile corresponding to the upper half area on the same circumference of the area. If there is a flow velocity profile, the flow velocity is used for the flow rate calculation.If there is no flow velocity profile corresponding to the upper half region on the same circumference of the region, the flow velocity obtained by interpolating the flow velocity profile of the calculation target layer is used for the flow rate calculation. Shall be used.
そして、対象領域の面積と設定された流速を乗じることで対象領域の流量が算出される(S508)。以上の対象領域の流量を算出する処理を下半分の全領域に対して繰り返す(S509)。 Then, the flow rate of the target region is calculated by multiplying the area of the target region by the set flow velocity (S508). The above process for calculating the flow rate of the target area is repeated for all the lower half areas (S509).
次に、上半分について所定の順序で面積を算出する対象領域を設定する(S510)。上半分の対象領域の面積算出は、流速プロファイルの補間を行なう場合以外は、最下層流量演算(S203)における界面が配管500の中心以上の場合の、上半分の対象領域の面積算出と同様である。 Next, a target region whose area is calculated in a predetermined order for the upper half is set (S510). The area calculation of the upper half target area is the same as the area calculation of the upper half target area when the interface in the lowermost flow rate calculation (S203) is equal to or greater than the center of the pipe 500, except when the flow velocity profile is interpolated. is there.
すなわち、上半分で対象領域を設定し(S510)、対象領域の半径Rが配管500中心から界面までの高さKよりも大きいかどうかを判定する(S511)。 That is, the target area is set in the upper half (S510), and it is determined whether the radius R of the target area is larger than the height K from the center of the pipe 500 to the interface (S511).
対象領域の半径Rが配管500中心から界面までの高さKよりも大きい場合には(S511:Yes)、半径Rと配管500中心から界面までの高さKとから、対象領域の一方の領域の中心角θを算出する(S512)。一方、対象領域の半径Rが配管500中心から界面までの高さKよりも小さい場合には(S511:No)、一律にθ=90°とすればよい(S513)。 When the radius R of the target area is larger than the height K from the center of the pipe 500 to the interface (S511: Yes), one area of the target area is calculated from the radius R and the height K from the center of the pipe 500 to the interface. Is calculated (S512). On the other hand, if the radius R of the target region is smaller than the height K from the center of the pipe 500 to the interface (S511: No), θ may be uniformly set to 90 ° (S513).
角度θが得られれば、領域の外周を弧とした半径R、中心角θの扇形の面積の2倍から、領域の内周を弧とした半径(R−積分幅d)、中心角θの扇形の面積の2倍を引くことで対象領域の面積を算出することができる(S514)。 If the angle θ is obtained, the radius R with the outer periphery of the region as an arc, the radius of the sector angle of the central angle θ from twice the sector area, the radius with the inner periphery of the region as an arc (R−integral width d), and the central angle θ The area of the target region can be calculated by subtracting twice the fan-shaped area (S514).
対象領域の面積が算出されると、対応する流速を設定する(S515)。対象領域に対応する流速プロファイルがある場合には、その流速を流量演算に用い、対象領域に対応する流速プロファイルがない場合には、その領域の同一円周上の下半分領域に対応する流速プロファイルがあれば、その流速を流量演算に用い、その領域の同一円周上の下半分領域に対応する流速プロファイルがなければ、演算対象層の流速プロファイルを補間して得られた流速を流量演算に用いるものとする。 When the area of the target region is calculated, a corresponding flow velocity is set (S515). If there is a flow velocity profile corresponding to the target area, the flow velocity is used for the flow rate calculation. If there is no flow velocity profile corresponding to the target area, the flow velocity profile corresponding to the lower half area on the same circumference of the area. If there is a flow velocity profile, the flow velocity is used for the flow rate calculation.If there is no flow velocity profile corresponding to the lower half region on the same circumference of the region, the flow velocity obtained by interpolating the flow velocity profile of the calculation target layer is used for the flow rate calculation. Shall be used.
そして、対象領域の面積と設定された流速を乗じることで対象領域の流量が算出される(S516)。以上の対象領域の流量を算出する処理を上半分の全領域に対して繰り返す(S517)。 Then, the flow rate of the target region is calculated by multiplying the area of the target region by the set flow velocity (S516). The above process for calculating the flow rate of the target area is repeated for the entire upper half area (S517).
下半分の各領域の流量と、上半分の各領域の流量とを算出すると、下半分および上半分の各領域の流量を合計する(S518)。これにより、上界面と下界面との間が配管500の中心を跨ぐ場合(S501:Yes)の中間層の流量が算出される。 When the flow rate in each region in the lower half and the flow rate in each region in the upper half are calculated, the flow rates in each region in the lower half and the upper half are summed (S518). Thereby, the flow rate of the intermediate layer when the upper interface and the lower interface straddle the center of the pipe 500 (S501: Yes) is calculated.
図16(a)に示すように、演算対象の中間層が配管500の中心を跨がない場合(S501:No)は、下半分あるいは上半分の領域について、積分層毎に図16(b)に示すような領域の面積を算出すればよい。図16(b)に示す領域の面積は、図16(c)に示すような配管中心から遠い方の界面まで領域の面積から図16(d)に示すような配管中心から近い方の界面まで領域の面積を引くことで求めることができる。 As shown in FIG. 16 (a), when the intermediate layer to be calculated does not straddle the center of the pipe 500 (S501: No), FIG. 16 (b) for each integration layer in the lower half or upper half region. The area of the region as shown in FIG. The area of the region shown in FIG. 16 (b) is from the area of the region from the center of the pipe as shown in FIG. 16 (c) to the interface near from the center of the pipe as shown in FIG. 16 (d). It can be obtained by subtracting the area of the region.
そこで、図14のフローチャートに示すように、対象領域を設定すると(S601)、配管500の中心から下界面までの面積を算出する(S602)。この領域は、図16(c)に示す領域に対応する。 Therefore, as shown in the flowchart of FIG. 14, when the target region is set (S601), the area from the center of the pipe 500 to the lower interface is calculated (S602). This area corresponds to the area shown in FIG.
対象領域が下半分であれば、最上層流量演算(S205)における界面が配管500の中心以下の場合の、下半分の対象領域の面積算出と同様であり、対象領域が上半分であれば、最下層流量演算(S203)における界面が配管500の中心以上の場合の、上半分の対象領域の面積算出と同様である。 If the target area is the lower half, it is the same as the calculation of the area of the lower half target area when the interface in the uppermost layer flow rate calculation (S205) is below the center of the pipe 500. If the target area is the upper half, This is the same as the calculation of the area of the upper half target region when the interface in the lowest layer flow rate calculation (S203) is equal to or greater than the center of the pipe 500.
また、配管500の中心から上界面までの面積を算出する(S603)。この領域は、図16(d)に示す領域に対応する。対象領域が下半分であれば、最上層流量演算(S205)における界面が配管500の中心以下の場合の、下半分の対象領域の面積算出と同様であり、対象領域が上半分であれば、最下層流量演算(S203)における界面が配管500の中心以上の場合の、上半分の対象領域の面積算出と同様である。 Further, the area from the center of the pipe 500 to the upper interface is calculated (S603). This area corresponds to the area shown in FIG. If the target area is the lower half, it is the same as the calculation of the area of the lower half target area when the interface in the uppermost layer flow rate calculation (S205) is below the center of the pipe 500. If the target area is the upper half, This is the same as the calculation of the area of the upper half target region when the interface in the lowest layer flow rate calculation (S203) is equal to or greater than the center of the pipe 500.
そして、配管500の中心から下界面までの面積と配管500の中心から上界面までの面積とから対象領域面積を算出する(S604)。対象領域が下半分であれば、前者から後者を引けばよく、対象領域が上半分であれば、後者から前者を引けばよい。 Then, the area of the target region is calculated from the area from the center of the pipe 500 to the lower interface and the area from the center of the pipe 500 to the upper interface (S604). If the target area is the lower half, the latter should be subtracted from the former, and if the target area is the upper half, the former should be subtracted from the latter.
対象領域の面積が算出されると、対応する流速を設定する(S605)。対象領域に対応する流速プロファイルがある場合には、その流速を流量演算に用い、対象領域に対応する流速プロファイルがない場合には、演算対象層の流速プロファイルを補間して得られた流速を流量演算に用いるものとする。 When the area of the target region is calculated, a corresponding flow velocity is set (S605). If there is a flow velocity profile corresponding to the target region, that flow velocity is used for flow rate calculation.If there is no flow velocity profile corresponding to the target region, the flow velocity obtained by interpolating the flow velocity profile of the calculation target layer is used as the flow rate. It shall be used for calculation.
そして、対象領域の面積と設定された流速を乗じることで対象領域の流量が算出される(S606)。以上の対象領域の流量を算出する処理を全領域に対して繰り返す(S607)。 Then, the flow rate of the target region is calculated by multiplying the area of the target region by the set flow velocity (S606). The above process for calculating the flow rate of the target area is repeated for all areas (S607).
各領域の流量を算出すると、各領域の流量を合計する(S608)。これにより、中間層が配管500の中心を跨がない場合(S501:No)の中間層の流量が算出される。以上、本実施形態の第1実施例について説明した。 When the flow rate of each region is calculated, the flow rate of each region is summed (S608). Accordingly, the flow rate of the intermediate layer when the intermediate layer does not straddle the center of the pipe 500 (S501: No) is calculated. The first example of the present embodiment has been described above.
<第2実施例>
次に、本実施形態の第2実施例について説明する。第2実施例における超音波流量計は、第1実施例の超音波流量計に伝播時間差法による測定機能を付加したものである。そして、多相流で最上層が気体、すなわち非満水状態の多相流あるいは単層流でも層毎に流量を測定することができる。
<Second embodiment>
Next, a second example of the present embodiment will be described. The ultrasonic flow meter in the second embodiment is obtained by adding a measurement function by the propagation time difference method to the ultrasonic flow meter of the first embodiment. The flow rate can be measured for each layer even if the uppermost layer is a gas in a multiphase flow, that is, a non-full water multiphase flow or a single layer flow.
図17は、本発明の第2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実施例と同じブロックについて同じ符号を付している。本例において、超音波流量計は配管500内を流れる被測定流体Fの流量を測定する。被測定流体Fは、単層流であってもよいし、多相流であってもよい。さらには配管500内をすべて満たす満水状態であってもよいし、上部に空間を有する非満水状態であってもよい。本図の例では流体F1と流体F2とが層になり、さらに、流体F2の上部に気層が存在しており、非満水の状態である。 FIG. 17 is a block diagram showing a configuration of an ultrasonic flowmeter according to the second embodiment of the present invention. The same reference numerals are assigned to the same blocks as in the first embodiment. In this example, the ultrasonic flowmeter measures the flow rate of the fluid F to be measured flowing through the pipe 500. The fluid F to be measured may be a single laminar flow or a multiphase flow. Further, the pipe 500 may be fully filled, or it may be a non-full state having a space in the upper part. In the example of this figure, the fluid F1 and the fluid F2 form a layer, and further, an air layer exists above the fluid F2 and is in a non-full state.
本図に示すように、第2実施例の超音波流量計は、超音波センサ210に加えて超音波センサ210aを備え、測定制御部100に替えて測定制御部101を備えている。超音波センサ210aは、配管500の上部で、超音波センサ210から斜めに出射された超音波信号を受信でき、超音波センサ210aが出射した超音波信号を超音波センサ210が受信できる位置に設置される。 As shown in the figure, the ultrasonic flowmeter of the second embodiment includes an ultrasonic sensor 210 a in addition to the ultrasonic sensor 210, and includes a measurement control unit 101 instead of the measurement control unit 100. The ultrasonic sensor 210a is installed in a position above the pipe 500 at a position where the ultrasonic sensor 210 can receive an ultrasonic signal obliquely emitted from the ultrasonic sensor 210 and the ultrasonic sensor 210 can receive an ultrasonic signal emitted from the ultrasonic sensor 210a. Is done.
測定制御部101は、出力制御部110、受信制御部120、流速プロファイル生成部130、反射信号強度プロファイル生成部140、界面判定部150、流量算出部160、測定結果出力部170、測定方法制御部180、伝播時間差法測定部190を備えている。 The measurement control unit 101 includes an output control unit 110, a reception control unit 120, a flow velocity profile generation unit 130, a reflected signal intensity profile generation unit 140, an interface determination unit 150, a flow rate calculation unit 160, a measurement result output unit 170, and a measurement method control unit. 180, a propagation time difference measurement unit 190 is provided.
測定方法制御部180は、伝播時間差法を用いた流量測定と、第1実施例に示したパルスドップラー法あるいは反射相関法を用いた流量測定の実行を制御する。伝播時間差法測定部190は、伝播時間差法を用いた流量測定を行なう。 The measurement method control unit 180 controls the flow rate measurement using the propagation time difference method and the flow rate measurement using the pulse Doppler method or the reflection correlation method shown in the first embodiment. The propagation time difference method measurement unit 190 performs flow rate measurement using the propagation time difference method.
第2実施例の超音波流量計における流量測定の手順について図18のフローチャートを参照して説明する。まず、測定に際しての各種設定を行なう(S701)。各種設定では、配管500の内径、超音波センサ210、210aの取付角度、その他パラメータ等の設定を行なう。 A flow measurement procedure in the ultrasonic flowmeter of the second embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG. First, various settings for measurement are performed (S701). In various settings, the inner diameter of the pipe 500, the mounting angles of the ultrasonic sensors 210 and 210a, and other parameters are set.
第2実施例では、最初にパルスドップラー法あるいは反射相関法のいずれかの方式で、下側の超音波センサ210および上側の超音波センサ210aで測定を行なう(S702)。なお、下側の超音波センサ210については第1実施例と同様に測定を行ない、上側の超音波センサ210aについてエコー波の受信の可否が確認できればよい。 In the second embodiment, measurement is first performed by the lower ultrasonic sensor 210 and the upper ultrasonic sensor 210a by either the pulse Doppler method or the reflection correlation method (S702). The lower ultrasonic sensor 210 may be measured in the same manner as in the first embodiment, and the upper ultrasonic sensor 210a may be confirmed to be able to receive an echo wave.
そして、測定結果に基づいて満水非満水の判定を行なう(S703)。具体的には、下側の超音波センサ210および上側の超音波センサ210aともエコー波を受信したときは、満水状態であると判定し、下側の超音波センサ210のみでエコー波を受信したときは、非満水状態であると判定する。なお、下側の超音波センサ210および上側の超音波センサ210aともエコー波を受信しないときは配管500内が空であると判定するようにしてもよい。 Then, based on the measurement result, full / non-full water is determined (S703). Specifically, when both the lower ultrasonic sensor 210 and the upper ultrasonic sensor 210a receive an echo wave, it is determined that the water is full and the lower ultrasonic sensor 210 alone receives the echo wave. When it is determined that the water is not full. When neither the lower ultrasonic sensor 210 nor the upper ultrasonic sensor 210a receives an echo wave, the pipe 500 may be determined to be empty.
また、測定で得られた反射信号強度プロファイルに基づいて層数の判定を行なう(S704)。層数の判定は第1実施例と同様に行なうことができる。 Further, the number of layers is determined based on the reflected signal intensity profile obtained by the measurement (S704). The number of layers can be determined in the same manner as in the first embodiment.
この結果、配管500内が満水状態でかつ単層流の場合(S705:Yes)には、伝播時間差法を用いた測定を実行する(S706)。これは、被測定流体Fが満水状態であり、単層流であれば、伝播時間差法による測定で高い精度が得られるからである。伝播時間差法を用いた測定では、超音波センサ210、210aとで交互に超音波信号を送受信して、それぞれの伝播時間を測定し、伝播時間差法による流量演算を行ない(S707)、得られた流量を測定結果として出力する(S709)。 As a result, when the inside of the pipe 500 is full and is a single layer flow (S705: Yes), measurement using the propagation time difference method is executed (S706). This is because if the fluid F to be measured is full and is a single layer flow, high accuracy can be obtained by measurement using the propagation time difference method. In the measurement using the propagation time difference method, ultrasonic signals were alternately transmitted and received by the ultrasonic sensors 210 and 210a, the respective propagation times were measured, and the flow rate was calculated by the propagation time difference method (S707). The flow rate is output as a measurement result (S709).
一方、満水状態でない場合あるいは多相流の場合には(S705:No)、第1実施例で示した流量測定を行なう。すなわち、処理(S702)で既に取得した流速プロファイルと受信信号強度プロファイルとに基づいた流量演算を実行すし(S708)、得られた流量を測定結果として出力する(S709)。 On the other hand, when it is not full or when it is a multiphase flow (S705: No), the flow rate measurement shown in the first embodiment is performed. That is, the flow rate calculation based on the flow velocity profile and the received signal strength profile already acquired in the processing (S702) is executed (S708), and the obtained flow rate is output as a measurement result (S709).
なお、非満水状態の場合には、気層を最上層とした多相流として扱えばよく、第1実施例における最上層流量演算(S203)を省くことができる。 In the non-full state, the uppermost layer flow rate calculation (S203) in the first embodiment can be omitted because it can be handled as a multiphase flow with the gas layer as the uppermost layer.
100…測定制御部、101…測定制御部、110…出力制御部、120…受信制御部、130…流速プロファイル生成部、140…反射信号強度プロファイル生成部、150…界面判定部、160…流量算出部、170…測定結果出力部、180…測定方法制御部、190…伝播時間差法測定部、210…超音波センサ、500…配管 DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Measurement control part, 101 ... Measurement control part, 110 ... Output control part, 120 ... Reception control part, 130 ... Flow velocity profile generation part, 140 ... Reflection signal intensity profile generation part, 150 ... Interface determination part, 160 ... Flow rate calculation Unit, 170 ... measurement result output unit, 180 ... measurement method control unit, 190 ... propagation time difference method measurement unit, 210 ... ultrasonic sensor, 500 ... piping
Claims (7)
前記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する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界面の個数およびそれぞれの界面位置を特定する界面判定部と、
前記流速プロファイルと、前記界面位置とに基づいて前記被測定流体の流量を界面で区分される層毎に算出する流量算出部と、
を備えたことを特徴とする超音波流量計。 An ultrasonic flowmeter that emits an ultrasonic pulse into a pipe through which a fluid to be measured flows and generates a flow velocity profile based on a reflection signal from an ultrasonic reflector included in the fluid to be measured,
A reflected signal intensity profile generator that generates a reflected signal intensity profile based on the received intensity of the reflected signal;
An interface determination unit that identifies the number of interfaces and the position of each interface based on the reflected signal intensity profile;
A flow rate calculation unit that calculates the flow rate of the fluid to be measured for each layer divided by the interface based on the flow velocity profile and the interface position;
An ultrasonic flowmeter comprising:
その領域に対応する流速プロファイルが存在せず、その領域の同一円周上の他領域に対応する流速プロファイルが存在する場合はその流速プロファイルを適用し、
その領域に対応する流速プロファイルが存在せず、その領域の同一円周上の他領域に対応する流速プロファイルも存在しない場合はその層の流速プロファイルを補間して得られる流速プロファイルを適用することを特徴とする請求項3に記載の超音波流量計。 The flow velocity determined based on the flow velocity profile applies the flow velocity profile when a flow velocity profile corresponding to the region exists,
If there is no flow velocity profile corresponding to that region, and there is a flow velocity profile corresponding to another region on the same circumference of that region, apply that flow velocity profile,
If there is no flow velocity profile corresponding to that region, and there is no flow velocity profile corresponding to other regions on the same circumference of the region, the flow velocity profile obtained by interpolating the flow velocity profile of the layer should be applied. The ultrasonic flowmeter according to claim 3, wherein
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