JP6187343B2 - 超音波測定器 - Google Patents

Description

本発明は、超音波を用いて流体の流速、流量、界面レベル等の測定を行う超音波測定器に関する。

配管内を流れる流体の流速、流量、界面レベル等を測定する測定器の１つとして、超音波を用いた超音波測定器が知られている。この超音波測定器は、構造が簡単で機械的可動部が無い、レンジアビリティ（精度の保証できる計測範囲）が広い、大口径の配管にも対応可能である等の利点がある。この超音波測定器の代表的なものに透過法（伝播時間差法）を用いるもの、或いはパルスドップラ法や反射法を用いるものがある。

透過法を用いる超音波測定器は、配管内を流れる流体に対して斜め方向に超音波信号を送受信し、流体の流れに沿う向きに超音波信号を送受信した場合の伝播時間と、流体の流れに逆らう向きに超音波信号を送受信した場合の伝播時間との差を求めることで、配管内を流れる流体の流速等を測定するものである。これに対し、パルスドップラ法や反射法を用いる超音波測定器は、配管内を流れる流体に対して斜め方向に超音波信号を送信し、流体に含まれる気泡や微小粒子（パーティクル）からの反射信号を受信して配管内を流れる流体の流速等を測定するものである。

以下の特許文献１には、配管内を非満水状態で流れる流体の流速及び流量等を従来よりも高い精度で計測可能な超音波流量計が開示されている。具体的に、以下の特許文献１に開示された超音波流量計は、指向性の軸線が所定の深さの液面で互いに交差するように設定された一対の超音波送受信器を流体が流れる配管内（配管の底部）に設置し、配管内を非満水状態で流れる流体の液面（界面）で反射する超音波信号を受信することで、流速、流量、及び液面レベル（界面レベル）を測定している。

特許第４３２５９２２号公報

ところで、上述した特許文献１に開示された超音波流量計は、配管内に設置された一対の超音波送受信器のうちの一方の超音波送受信器から超音波信号を斜め上方に送信し、流体の液面で反射されて斜め上方から入射する超音波信号を他方の超音波送受信器で受信することによって非満水状態で流れる流体の界面レベル等を測定するものである。このため、配管内に設置された超音波送受信器が流体によって満たされている状態（流体の界面レベルが超音波送受信器よりも上方に位置する状態）でなければ測定を行うことができず、界面レベル等の測定可能範囲が制限されてしまうという問題がある。

また、上述した特許文献１に開示された超音波流量計は、超音波送受信器を配管内に設置する必要があることから、配管に対する穴あけ等を行って超音波送受信器を設置するという煩雑な作業が必要になり、設置に工数及びコストを要するという問題がある。また、例えばプラント等が稼働している状態で超音波送受信器を配管内に設置するためには、超音波送受信器を設置しようとしている配管を流れる流体を止めて配管を空にしてから設置作業をする必要があるため、設置が困難な場合が多いと考えられ、また機会損失が生ずる可能性も考えられる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、従来よりも広い範囲で界面レベルを測定することが可能であって設置を容易に行うことができる超音波測定器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の超音波測定器は、配管（ＴＢ）を流れる流体（Ｘ）に対して超音波信号（Ｕ１、Ｕ２）を送信するとともに、前記流体を介した前記超音波信号を受信して前記流体の流速及び流量の少なくとも一方を測定する超音波測定器（１、２）において、前記流体の流れ方向（Ｄ）に対して斜め方向に前記超音波信号（Ｕ１）を送信し、前記流体から得られる前記超音波信号の反射信号を受信するよう前記配管の外表面に取り付けられた送受信素子（１１）と、前記送受信素子で受信される前記反射信号のうち、前記流体の流れ方向に対して垂直な方向に向かう前記超音波信号（Ｕ２）の反射信号の強度変化に基づいて前記流体の界面レベルを求める第１演算部（２４ａ）とを備えることを特徴としている。
この発明によると、流体の流れ方向に対して斜め方向に超音波信号を送信するよう配管の外表面に取り付けられた送受信素子で受信される反射信号のうち、流体の流れ方向に対して垂直な方向に向かう超音波信号の反射信号の強度変化に基づいて流体の界面レベルが求められる。
また、本発明の超音波測定器は、前記第１演算部が、前記流体の流れ方向に対して垂直な方向に向かう前記超音波信号の反射信号の強度が、予め規定された閾値（ＴＨ）を超えて最大となる位置を前記流体の界面と判定することを特徴としている。
また、本発明の超音波測定器は、前記送受信素子で受信される前記反射信号のうち、前記流体の流れ方向に対して斜め方向に送信された前記超音波信号の反射信号を用いて前記配管の径方向における前記流体の流速分布を求める第２演算部（２４ｂ）を備えており、前記第１演算部が、前記流体の流れ方向に対して垂直な方向に向かう前記超音波信号の反射信号の強度が前記閾値を超えない場合には、前記第２演算部で求められた前記流体の流速分布に基づいて前記流体の界面を判定することを特徴としている。
また、本発明の超音波測定器は、前記第１演算部が、前記第２演算部によって前記流体の流速分布が求められた領域（Ｒ１）と前記流体の流速分布が求められなかった領域（Ｒ２）との境界の位置を、前記流体の界面と判定することを特徴としている。
また、本発明の超音波測定器は、前記流体を透過した前記超音波信号に基づいて前記流体の流速及び流量の少なくとも一方を求める第３演算部（２４ｃ）を備えており、前記第１演算部が、前記第３演算部で前記流体の流速及び流量を測定することができなかった場合に前記流体の界面レベルを求めることを特徴としている。
また、本発明の超音波測定器は、前記送受信素子が、前記配管の外表面に当接される第１面（Ｐ１）と、該第１面に対してなす角が鋭角とされて前記送受信素子が搭載される第２面（Ｐ２）とを有する取付部材（１２）を介して前記配管の外表面に取り付けられることを特徴としている。
また、本発明の超音波測定器は、前記第１演算部で求められた界面レベルの時間変化から前記流体の界面の状態を判定することを特徴としている。

本発明によれば、流体の流れ方向に対して斜め方向に超音波信号を送信するよう配管の外表面に取り付けられた送受信素子で受信される反射信号のうち、流体の流れ方向に対して垂直な方向に向かう超音波信号の反射信号の強度変化に基づいて流体の界面レベルを求めるようにしているため、従来よりも広い範囲で界面レベルを測定することが可能であって設置を容易に行うことができるという効果がある。

本発明の第１実施形態による超音波測定器の概略構成を示す図である。 図１中のＡ−Ａ線断面矢視図である。 本発明の第１実施形態による超音波測定器が備える送受信部の構成を示す図である。 本発明の第１実施形態による超音波測定器が備える測定部の要部構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態による超音波測定器で得られる受信信号の一例を示す図である。 本発明の第１実施形態による超音波測定器における界面レベルの判定方法を説明するための図である。 本発明の第１実施形態による超音波測定器の動作を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態による超音波測定器の概略構成を示す図である。 本発明の第２実施形態による超音波測定器が備える測定部の要部構成を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態による超音波測定器の動作を示すフローチャートである。 本発明の変形例を説明するための図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態による超音波測定器について詳細に説明する。

〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態による超音波測定器の概略構成を示す図である。また、図２は、図１中のＡ−Ａ線断面矢視図である。図１に示す通り、本実施形態の超音波測定器１は、ケーブルＣによって接続された送受信部１０と測定部２０とを備えており、超音波信号を用いて配管ＴＢ内を流れる流体Ｘの流速、流量、及び界面レベル（流体Ｘの液面位置）を測定する。尚、図１，２に示す通り、流体Ｘが流れる配管ＴＢは、断面形状が円環形状であるとし、流体Ｘの流れ方向は、図中符号Ｄを付して示す方向であるとする。

ここで、本実施形態の超音波測定器１は、反射相関法を用いて流体Ｘの流速や流量を測定するものとする。つまり、配管ＴＢ内を流れる流体Ｘに対して斜め方向に超音波信号を複数回に亘って送信するとともに流体Ｘに含まれる気泡や微小粒子（パーティクル）（以下、これらを「気泡Ｂ」と総称する）からの反射信号を複数回に亘って受信し、受信信号に対する相関処理を行って配管ＴＢ内を流れる流体Ｘの流速や流量を測定するものであるとする。

送受信部１０は、流体Ｘが流れる配管ＴＢの外表面に取り付けられており、測定部２０からの駆動信号に基づいて配管ＴＢ内を流れる流体Ｘに対して斜め方向に超音波信号を送信し、流体Ｘから得られる超音波信号の反射信号を受信する。この送受信部１０は、図１，２に示す通り、流体Ｘが配管ＴＢ内を非満水状態で流れる場合であっても、流体Ｘの流速、流量、及び界面レベルの測定を可能にするために、配管ＴＢの底部における外表面に取り付けられている。尚、送受信部１０は、配管ＴＢに対する穴あけ等の加工をすることなく取り付けが可能である。

図３は、本発明の第１実施形態による超音波測定器が備える送受信部の構成を示す図である。図３に示す通り、送受信部１０は、トランスデューサ１１（送受信素子）と楔部材１２（取付部材）とを備える。尚、トランスデューサ１１及び楔部材１２は、ケースによって覆われているが、図３ではケースの図示を省略している。トランスデューサ１１は、ピエゾ素子等の圧電素子を備えており、測定部２０から出力される駆動信号によって駆動されて、配管ＴＢ内を流れる流体Ｘに対する超音波信号を送信するとともに、流体Ｘから得られる超音波信号の反射信号を受信して受信信号を出力する。

楔部材１２は、トランスデューサ１１を配管ＴＢに取り付けるために用いられる部材（治具）である。この楔部材１２は、例えば樹脂又は金属によって形成され、傾斜面を有する略立方体又は略直方体状の部材である。具体的に、楔部材１２は、配管ＴＢの底部における外表面に当接される取付面Ｐ１（第１面）と、この取付面Ｐ１に対してなす角が鋭角とされてトランスデューサ１１が搭載される搭載面Ｐ２（傾斜面：第２面）とを有しており、搭載面Ｐ２の傾斜方向が流体Ｘの流れ方向Ｄに沿うように配管ＴＢに取りつけられている。トランスデューサ１１から出力される超音波信号は、楔部材１２の内部を介して配管ＴＢ内を流れる流体Ｘに送信される。

ここで、トランスデューサ１１は、取付面Ｐ１に対して鋭角に形成された搭載面Ｐ２に搭載されており、トランスデューサ１１からの超音波信号は、搭載面Ｐ２の法線方向に強く出力される。このため、トランスデューサ１１からの超音波信号は、図３に示す通り、配管ＴＢ内を流れる流体Ｘに対して斜め方向に入射する超音波信号Ｕ１として強く送信される。但し、トランスデューサ１１の一点から出力される超音波信号は、図３中に破線で示す通り球面波として伝播するため、配管ＴＢ内を流れる流体Ｘに対して垂直な方向に向かう超音波信号Ｕ２も存在する。本実施形態では、この超音波信号Ｕ２の反射信号の強度変化に基づいて流体Ｘの界面レベルを求めるようにしている。

測定部２０は、駆動信号をケーブルＣに出力して送受信部１０（トランスデューサ１１）から超音波信号（超音波信号Ｕ１，Ｕ２）を送信させるとともに、ケーブルＣを介して送信されてくる送受信部１０からの受信信号を処理して、流体Ｘの流速、流量、及び界面レベルを測定する。具体的には、図３に示す超音波信号Ｕ１の反射信号を受信して得られる受信信号に対する相関処理を行って配管ＴＢ内を流れる流体Ｘの流速（流速分布）や流量を求める。また、図３に示す超音波信号Ｕ２の反射信号の強度変化に基づいて流体Ｘの界面レベルを求める。

図４は、本発明の第１実施形態による超音波測定器が備える測定部の要部構成を示すブロック図である。図４に示す通り、測定部２０は、切替部２１、送信回路部２２、受信回路部２３、制御処理部２４、及び操作表示部２５を備える。尚、図４に示す測定部２０は、２本の芯線を有するケーブルＣが接続可能なコネクタＣＮと、コネクタＣＮに接続されたケーブルＣの２本の芯線にそれぞれ接続される接続線Ｌ１，Ｌ２とを備えており、ケーブルＣを介して２つのトランスデューサを接続可能である。

切替部２１は、制御処理部２４の制御の下で、送信回路部２２及び受信回路部２３に接続させるトランスデューサの切り替えを行う。具体的に、切替部２１は、送信回路部２２に接続される端子Ｔ１０、接続線Ｌ１に接続される端子Ｔ１１、及び接続線Ｌ２に接続される端子Ｔ１２と、受信回路部２３に接続される端子Ｔ２０、接続線Ｌ１に接続される端子Ｔ２１、及び接続線Ｌ２に接続される端子Ｔ２２とを備える。そして、切替部２１は、制御処理部２４の制御の下で、端子Ｔ１０を端子Ｔ１１，Ｔ１２の何れに接続するかを切り換え、端子Ｔ２０を端子Ｔ２１，Ｔ２２の何れに接続するかを切り換える。

尚、本実施形態では、図３に示す１つのトランスデューサ１１が、ケーブルＣを介して接続線Ｌ１に接続されているとする。このため、切替部２１は、制御処理部２４の制御によって、図４に示す通り、端子Ｔ１０が端子Ｔ１１に接続され、端子Ｔ２０が端子Ｔ２１に接続されているとする。本実施形態では、トランスデューサ１１が１つのみであるため、端子Ｔ１２，Ｔ２２及び接続線Ｌ２は用いられない。

送信回路部２２は、制御処理部２４の制御の下で、流体Ｘに送信すべき超音波信号Ｕ１，Ｕ２を発生させるための駆動信号を切替部２１に出力する。ここで、駆動信号は、所定の時間間隔（例えば、数百μｓｅｃ程度）をもったパルス状（バースト状）の信号である。受信回路部２３は、例えばアンプ及びＡ／Ｄ変換器（何れも図示省略）を備えており、制御処理部２４の制御の下で、送受信部１０（トランスデューサ１１）から出力される受信信号を所定の増幅率で増幅してディジタル信号に変換して制御処理部２４に出力する。

制御処理部２４は、送信回路部２２を制御して流体Ｘに対する超音波信号Ｕ１，Ｕ２の送信制御を行うとともに、受信回路部２３を制御して送受信部１０から得られる受信信号のサンプリング制御を行う。また、制御処理部２４は、必要に応じて切替部２１の切り換え制御も行う。また、制御処理部２４は、受信回路部２３から出力される受信信号（ディジタル信号）に対する信号処理を行って、流体Ｘの流速（流速分布）、流量、及び界面レベルの測定等を行う。

この制御処理部２４は、界面レベル算出部２４ａ（第１演算部）と流速分布算出部２４ｂ（第２演算部）とを備える。界面レベル算出部２４ａは、流体Ｘの流れ方向Ｄに対して垂直な方向に向かう超音波信号Ｕ２の反射信号の強度変化に基づいて流体Ｘの界面レベルを求める。図５は、本発明の第１実施形態による超音波測定器で得られる受信信号の一例を示す図である。図５に示す受信信号Ｓ１，Ｓ２は、上述した所定の時間間隔（例えば、数百μｓｅｃ程度）をもって送受信部１０から連続して送信された超音波信号Ｕ１，Ｕ２の反射信号を送受信部１０で順次受信して得られる受信信号である。

図５に示す通り、受信信号Ｓ１，Ｓ２には、振幅が小さな波形Ｗ１１〜Ｗ１３，Ｗ１５，Ｗ２１〜Ｗ２３，Ｗ２５と、振幅が大きな波形Ｗ１４，Ｗ２４とが含まれる部分が現れる。振幅が小さな波形Ｗ１１〜Ｗ１３，Ｗ１５，Ｗ２１〜Ｗ２３，Ｗ２５は、超音波信号Ｕ１が流体Ｘに含まれる気泡Ｂによって反射されて生ずる反射信号を受信して得られる波形である。ここで、流体Ｘに含まれる気泡Ｂは、超音波信号Ｕ１が送信されてから次の超音波信号Ｕ１が送信されるまでの間に、流体Ｘの流速に応じた距離だけ流れ方向Ｄに移動する。このため、受信信号Ｓ１に含まれる波形Ｗ１１〜Ｗ１３，Ｗ１５と受信信号Ｓ２に含まれる波形Ｗ２１〜Ｗ２３，Ｗ２５との間には、図５に示す通り、気泡Ｂが移動した距離だけ時間ずれが生じている。

これに対し、振幅が大きな波形Ｗ１４，Ｗ２４は、超音波信号Ｕ２が流体Ｘの界面によって反射されて生ずる反射信号を受信して得られる波形である。この波形Ｗ１４，Ｗ２４は、流体Ｘの界面に対して垂直入射（或いは、ほぼ垂直入射）する超音波信号Ｕ２の反射信号を受信して得られるものであるため、波形Ｗ１１〜Ｗ１３，Ｗ１５，Ｗ２１〜Ｗ２３，Ｗ２５に比べると振幅が大きい。また、波形Ｗ１４，Ｗ２４は、流体Ｘの流れ方向Ｄに対して垂直な方向に向かう超音波信号Ｕ２の反射信号によるものであるため、流体Ｘの界面の変動がなければ、受信信号Ｓ１に含まれる波形Ｗ１４と受信信号Ｓ２に含まれる波形Ｗ２４との間には時間ずれは生じない。尚、この波形Ｗ１４，Ｗ２４には、上述した振幅が小さな波形Ｗ１１〜Ｗ１３，Ｗ１５，Ｗ２１〜Ｗ２３，Ｗ２５と同様の波形が重畳されている。

このように、超音波信号Ｕ２が流体Ｘの界面によって反射されて生ずる反射信号を受信して得られる波形Ｗ１４，Ｗ２４は、超音波信号Ｕ１が気泡Ｂによって反射されて生ずる反射信号を受信して得られる波形Ｗ１１〜Ｗ１３，Ｗ１５，Ｗ２１〜Ｗ２３，Ｗ２５に比べて振幅（強度）が極めて大きいという性質がある。このため、界面レベル算出部２４ａは、垂直な方向に向かう超音波信号Ｕ２の反射信号の強度変化が反映されている受信信号Ｓ１，Ｓ２の振幅変化（強度変化）を求め、この強度変化に基づいて流体Ｘの界面レベルを求めている。

図６は、本発明の第１実施形態による超音波測定器における界面レベルの判定方法を説明するための図であって、（ａ）は配管の径方向における超音波信号Ｕ２の反射信号の強度を示す図であり、（ｂ）は配管の径方向における流体Ｘの流速分布を示す図である。尚、図６に示す原点位置「０」は、配管ＴＢの中心位置を示しており、位置「−ｒ」，「ｒ」は、超音波信号Ｕ２の進行方向における配管ＴＢの両端位置を示している。

界面レベル算出部２４ａは、図６（ａ）に示す通り、超音波信号Ｕ２の反射信号の強度が予め規定された閾値ＴＨを超える部分がある場合には、閾値ＴＨを超えて最大となる位置を流体Ｘの界面と判定する。図６（ａ）に示す例において、界面レベル算出部２４ａは、位置Ｑ１を流体Ｘの界面と判定する。つまり、超音波信号Ｕ２の反射信号のうち、強度が閾値ＴＨを超えない反射信号は気泡Ｂで弱く反射して得られたものであると考えられる一方で、強度が閾値ＴＨを超える反射信号は流体Ｘの界面で強く反射して得られたものであると考えられる。このため、界面レベル算出部２４ａは、超音波信号Ｕ２の反射信号の強度が、閾値ＴＨを超えて最大となる位置を流体Ｘの界面と判定する。

これに対し、界面レベル算出部２４ａは、超音波信号Ｕ２の反射信号の強度が閾値ＴＨを超える部分が無い場合には、流速分布算出部２４ｂで求められた流体Ｘの流速分布に基づいて流体Ｘの界面を判定する。具体的に、界面レベル算出部２４ａは、図６（ｂ）に示す通り、流速分布算出部２４ｂによって流体Ｘの流速分布が求められた領域Ｒ１と流体Ｘの流速分布が求められなかった領域Ｒ２との境界の位置Ｑ２を流体Ｘの界面と判定する。超音波信号Ｕ１，Ｕ２は、流体Ｘの内部を伝播することができるものの、大気中を伝播することができない。このため、流体Ｘの流速分布が求められた領域Ｒ１は流体Ｘが存在し、流体Ｘの流速分布が求められかった領域Ｒ２は流体Ｘが存在しないと考えられる。このため、界面レベル算出部２４ａは、流速分布算出部２４ｂによって流体Ｘの流速分布が求められた領域Ｒ１と流体Ｘの流速分布が求められなかった領域Ｒ２との境界の位置Ｑ２を流体Ｘの界面と判定する。

流速分布算出部２４ｂは、流体Ｘの流れ方向Ｄに対して斜め方向に送信された超音波信号Ｕ１の反射信号を用いて配管ＴＢの径方向における流体Ｘの流速分布を求める。具体的に、流速分布算出部２４ｂは、送受信部１０から順次得られる受信信号（例えば、図５に示す受信信号Ｓ１，Ｓ２）を時間位置に応じて複数の区分に分割して区分毎の相関処理を行う。そして、流速分布算出部２４ｂは、相関が最大となる時間間隔を上記の区分毎に求め、各々の時間間隔から区分毎の流体Ｘの流速を求めることによって配管ＴＢの径方向における流体Ｘの流速分布を測定する。

操作表示部２５は、操作ボタン等の操作装置と、液晶表示装置等の表示装置とを備えている。かかる構成の操作表示部２５は、操作者が操作装置を操作して入力した指示を制御処理部２４に出力するとともに、制御処理部２４で求められた流体Ｘの測定結果（流速、流量、界面レベル）を表示する。尚、操作表示部２５には、流体Ｘの測定結果以外の各種情報（例えば、超音波測定器１の内部状態や測定条件を示す情報）を表示することも可能である。

次に、上記構成における超音波測定器１の動作について説明する。図７は、本発明の第１実施形態による超音波測定器の動作を示すフローチャートである。測定が開始されると、まず送受信部１０に設けられたトランスデューサ１１から配管ＴＢ内を流れる流体Ｘに対して超音波信号Ｕ１，Ｕ２を順次送信し、これら超音波信号Ｕ１，Ｕ２の反射信号を受信する処理が行われる（ステップＳ１１）。

具体的には、測定部２０の制御処理部２４によって送信回路部２２が制御され、所定の時間間隔（例えば、数百μｓｅｃ程度）をもったパルス状（バースト状）の駆動信号をトランスデューサ１１に向けて送信する処理が行われる。送信回路部２２からの駆動信号は、切替部２１及びケーブルＣを順に介して送受信部１０に入力され、これによりトランスデューサ１１からは、図３に示す超音波信号Ｕ１，Ｕ２が配管ＴＢ内を流れる流体Ｘに向けて順次送信される。

流体Ｘに入射した超音波信号Ｕ１は、図３に示す経路ＰＴ１（流体Ｘの流れ方向Ｄに対して斜め方向の経路）に沿って伝播する。ここで、経路ＰＴ１上に気泡Ｂが存在すると、超音波信号Ｕ１の一部が気泡Ｂによって反射されて反射信号が生ずる。この反射信号は、上記の経路ＰＴ１を逆向きに辿ってトランスデューサ１１で受信される。これにより、送受信部１０（トランスデューサ１１）から出力される受信信号には、気泡Ｂに起因する反射信号を受信して得られる波形（図５中のＷ１１〜Ｗ１３，Ｗ１５，Ｗ２１〜Ｗ２３，Ｗ２５と同様の波形）が含まれることになる。

これに対し、流体Ｘに入射した超音波信号Ｕ２は、図３に示す経路ＰＴ２（流体Ｘの流れ方向Ｄに対して垂直方向の経路）に沿って伝播する。ここで、超音波信号Ｕ２が、流体Ｘの界面に達すると、超音波信号Ｕ２の大部分が反射されて反射信号が生ずる。この反射信号は、上記の経路ＰＴ２を逆向きに辿ってトランスデューサ１１で受信される。これにより、送受信部１０（トランスデューサ１１）から出力される受信信号には、流体Ｘの界面での反射信号を受信して得られる波形（図５中のＷ１４，Ｗ２４と同様の波形）が含まれることになる。尚、経路ＰＴ２上に気泡Ｂが存在する場合にも超音波信号Ｕ２の一部が反射されて反射信号が生ずるが、この反射信号は、流体Ｘの流速、流量、及び界面レベルの測定には用いられないため説明を省略する。

次に、送受信部１０（トランスデューサ１１）から順次出力される受信信号を用いて、配管ＴＢの径方向における流体Ｘの流速分布を算出する処理が行われる（ステップＳ１２）。具体的には、流速分布算出部２４ｂにおいて、受信回路部２３から順次出力される受信信号（ディジタル信号）を時間位置に応じて複数の区分に分割して区分毎の相関処理を行い、相関が最大となる時間間隔を上記の区分毎に求め、各々の時間間隔から区分毎の流体Ｘの流速を求める処理が行われる。かかる処理が行われることにより、配管ＴＢの径方向における流体Ｘの流速分布が求められる。

続いて、送受信部１０（トランスデューサ１１）から順次出力される受信信号から、配管ＴＢの径方向における反射信号の強度変化を求める処理が行われる（ステップＳ１３）。具体的には、界面レベル算出部２４ａにおいて、受信回路部２３から出力される受信信号（例えば、図５に示す受信信号Ｓ１）を時間位置に応じて複数の区分に分割して区分毎の最大振幅（最大強度）を求める処理が行われる。かかる処理が行われることにより、配管ＴＢの径方向における反射信号の強度変化を求める処理が行われる。

次いで、ステップＳ１３で算出された配管ＴＢの径方向における反射信号の強度変化から、界面（流体Ｘの液面）の判定が可能であるか否かが界面レベル算出部２４ａで判断される（ステップＳ１４）。具体的には、図６（ａ）に示す通り、超音波信号Ｕ２の反射信号の強度が予め規定された閾値ＴＨを超えて最大となる位置（図６（ａ）中の位置Ｑ１）が存在するか否かが判断される。反射信号の強度変化から界面の判定が可能と判断した場合（ステップＳ１４の判断結果が「ＹＥＳ」の場合）には、界面レベルの測定結果（図６中（ａ）の位置Ｑ１）が操作表示部２５に表示される（ステップＳ１５）。

これに対し、反射信号の強度変化から界面の判定が可能ではないと判断した場合（ステップＳ１４の判断結果が「ＮＯ」の場合）には、ステップＳ１２で算出された配管ＴＢの径方向における流体Ｘの流速分布から、界面の判定が可能であるか否かが界面レベル算出部２４ａで判断される（ステップＳ１６）。流体Ｘの流速分布から界面の判定が可能と判断した場合（ステップＳ１６の判断結果が「ＹＥＳ」の場合）には、界面レベルの測定結果（図６（ｂ）中の位置Ｑ２）が操作表示部２５に表示される（ステップＳ１５）。これに対し、流体Ｘの流速分布から界面の判定が可能ではない判断した場合（ステップＳ１６の判断結果が「ＮＯ」の場合）には、配管ＴＢ内が空（流体Ｘが流れていない）である旨が操作表示部２５に表示される（ステップＳ１７）。

以上説明した通り、本実施形態では、配管ＴＢを流れる流体Ｘの流れ方向Ｄに対して斜め方向に超音波信号Ｕ１を送信するよう配管ＴＢの外表面にトランスデューサ１１を取り付け、このトランスデューサ１１で受信される反射信号のうち、流体Ｘの流れ方向Ｄに対して垂直な方向に向かう超音波信号Ｕ２の反射信号の強度変化に基づいて流体Ｘの界面レベルを求めるようにしている。このため、従来よりも広い範囲で流体Ｘの界面レベルを測定することが可能である。また、トランスデューサ１１は、配管ＴＢの外表面に取り付けられることから、設置を容易に行うことができる。

〔第２実施形態〕
図８は、本発明の第２実施形態による超音波測定器の概略構成を示す図である。尚、図８においては、図１に示した構成と同様の構成については同一の符号を付してある。図８に示す通り、本実施形態の超音波測定器２は、ケーブルＣによって接続された２つの送受信部１０ａ，１０ｂと測定部３０とを備えており、図１に示す第１実施形態の超音波測定器１と同様に、超音波信号を用いて配管ＴＢ内を流れる流体Ｘの流速、流量、及び界面レベルを測定する。但し、本実施形態の超音波測定器２は、第１実施形態の超音波測定器１で行われている反射法（反射相関法）を用いた測定に加えて、透過法を用いた測定が可能である。

つまり、本実施形態の超音波測定器２は、配管ＴＢ内を流れる流体Ｘに対して斜め方向に超音波信号を送受信し、流体Ｘの流れに沿う向きに超音波信号を送受信した場合の伝播時間と、流体Ｘの流れに逆らう向きに超音波信号を送受信した場合の伝播時間との差を求めることで、配管ＴＢ内を流れる流体Ｘの流速等を測定可能である。この透過法を用いた測定を可能とするために、本実施形態の超音波測定器２は、２つの送受信部１０ａ，１０ｂを備えている。

送受信部１０ａ，１０ｂは、図１に示す送受信部１０と同様の構成であり、流体Ｘが流れる配管ＴＢの外表面に取り付けられている。具体的に、送受信部１０ａは、図１に示す送受信部１０と同様に、配管ＴＢの底部における外表面に取り付けられており、測定部３０からの駆動信号に基づいて送受信部１０ｂに向けて斜め方向に超音波信号を送信し、流体Ｘから得られる超音波信号の反射信号、或いは送受信部１０ｂから送信されて流体Ｘを透過した超音波信号を受信する。送受信部１０ｂは、送受信部１０ａよりも上流側であって、配管ＴＢの上部における外表面に取り付けられており、測定部３０からの駆動信号に基づいて送受信部１０ａに向けて斜め方向に超音波信号を送信し、送受信部１０ａから送信されて流体Ｘを透過した超音波信号を受信する。尚、これら送受信部１０ａ，１０ｂも、配管ＴＢに対する穴あけ等の加工をすることなく取り付けが可能である。

図９は、本発明の第２実施形態による超音波測定器が備える測定部の要部構成を示すブロック図である。尚、図９においては、図４に示す構成と同様の構成については同一の符号を付してある。図９に示す通り、測定部３０は、図４に示す測定部２０の制御処理部２４に流速流量算出部２４ｃ（第３演算部）を追加した構成である。ここで、本実施形態では、送受信部１０ａに設けられた不図示のトランスデューサが、ケーブルＣを介して接続線Ｌ１に接続されており、送受信部１０ｂに設けられた不図示のトランスデューサが、ケーブルＣを介して接続線Ｌ２に接続されているとする。

流速流量算出部２４ｃは、受信回路部２３から出力される受信信号（ディジタル信号）に対して信号処理を行って、透過法により流体Ｘの流速及び流量を算出する。具体的に、流速流量算出部２４ｃは、切替部２１によって送受信部１０ａが受信回路部２３に接続された場合に得られる受信信号、及び切替部２１によって送受信部１０ｂが受信回路部２３に接続された場合に得られる受信信号に対して信号処理を行って流体Ｘの流速及び流量を算出する。

つまり、流速流量算出部２４ｃは、送受信部１０ｂから送信されて流体Ｘを透過した超音波信号が送受信部１０ａで受信された場合の伝播時間と、送受信部１０ａから送信されて流体Ｘを透過した超音波信号が送受信部１０ｂで受信された場合の伝播時間との差を求める。そして、この差に基づいて流体Ｘの流速を測定し、測定した流体Ｘの流速と配管ＴＢ内部の断面積との積から流量を測定する。

次に、上記構成における超音波測定器２の動作について説明する。図１０は、本発明の第２実施形態による超音波測定器の動作を示すフローチャートである。測定が開始されると、まず透過法によって流体Ｘを測定するために必要となる初期設定が行われる（ステップＳ２１）。具体的には、流体Ｘが流れる配管ＴＢの内径、送受信部１０ａ，１０ｂの取付角度、流体Ｘの密度及び粘度、音速等が測定部３０に設定される。

以上の初期設定が終了すると、透過法を使用するか否かが測定部３０の制御処理部２４で判断される（ステップＳ２２）。具体的には、透過法を用いて流体Ｘを測定する指示が操作表示部２５から入力されたか否かが制御処理部２４で判断される。透過法を使用しないと判断された場合（ステップＳ２２の判断結果が「ＮＯ」の場合）には、反射法による測定が行われる（ステップＳ２３）。つまり、図７を用いて説明した動作と同様の動作が行われる。

これに対し、透過法を使用すると判断された場合（ステップＳ２２の判断結果が「ＹＥＳ」の場合）には、透過法による測定が開始される（ステップＳ２４）。透過法による測定が開始されると、まず制御処理部２４によって切替部２１が制御され、送受信部１０ｂが送信回路部２２に接続されるとともに、送受信部１０ａが受信回路部２３に接続された状態とされる。そして、送受信部１０ｂに設けられた不図示のトランスデューサから配管ＴＢ内を流れる流体Ｘに対して超音波信号を送信し、流体Ｘを透過した超音波信号を送受信部１０ａに設けられた不図示のトランスデューサで受信する処理（順方向受信処理）が行われる。

続いて、制御処理部２４によって切替部２１が制御され、送受信部１０ａが送信回路部２２に接続されるとともに、送受信部１０ｂが受信回路部２３に接続された状態とされる。そして、送受信部１０ａに設けられた不図示のトランスデューサから配管ＴＢ内を流れる流体Ｘに対して超音波信号を送信し、流体Ｘを透過した超音波信号を送受信部１０ｂに設けられた不図示のトランスデューサで受信する処理（逆方向受信処理）が行われる。

次に、以上の順方向受信処理及び逆方向受信処理によって、流体Ｘを透過した超音波信号（透過信号）が受信されたか否かが制御処理部２４で判断される（ステップＳ２５）。透過信号が受信されていないと判断された場合（ステップＳ２５の判断結果が「ＮＯ」の場合）には、反射法による測定が行われる（ステップＳ２３）。つまり、図７を用いて説明した動作と同様の動作が行われる。

ここで、本実施形態では、図８に示す通り、送受信部１０ａ，１０ｂが配管ＴＢの底部における外表面及び配管ＴＢの上部における外表面にそれぞれ取り付けられている。すると、流体Ｘが配管ＴＢ内を非満水状態で流れる場合には、配管ＴＢ内の上部分が気体の層となるため、上述した順方向受信処理及び逆方向受信処理の何れの処理でも透過信号が受信されず、透過法では流体Ｘの流速及び流量を測定することはできない。このため、透過信号が受信されなかった場合には、反射法による測定を行って流体Ｘの流速（流速分布）、流量、及び界面レベルの測定等を行うようにしている。

これに対し、透過信号が受信されたと判断された場合（ステップＳ２５の判断結果が「ＹＥＳ」の場合）には、透過法により流体Ｘの流速及び流量を算出する処理が行われる。つまり、順方向受信処理で得られた受信信号と逆方向受信処理で得られた受信信号とを用いて、流体Ｘの流速及び流量を測定する処理が流速流量算出部２４ｃで行われる。具体的には、流体Ｘの流れに沿う向きに超音波信号を送受信した場合の伝播時間と、流体Ｘの流れに逆らう向きに超音波信号を送受信した場合の伝播時間との差を求める処理が行われ、この差に基づいて流体Ｘの流速を測定し、測定した流体Ｘの流速と配管ＴＢの断面積との積から流量を測定する処理が行われる。以上の処理が終了すると、測定された流体Ｘの流速及び流量が操作表示部２５に表示される（ステップＳ２６）。

以上説明した通り、本実施形態では、透過法を用いない場合には、第１実施形態と同様の処理を行って流体Ｘの界面レベルを求めるようにしている。このため、本実施形態においても、従来よりも広い範囲で流体Ｘの界面レベルを測定することが可能である。また、本実施形態においても、不図示のトランスデューサを備える送受信部１０ａ，１０ｂは、配管ＴＢの外表面に取り付けられることから、設置を容易に行うことができる。

更に、本実施形態では、透過法を用いている場合に、透過信号を受信することができなくなったときには、第１実施形態と同様の処理を行って、流体Ｘの界面レベル等を求めるようにしている。このため、透過法による測定が不可能になった場合に、その原因が、流体Ｘが非満水状態になったことによるものであるのか、或いは他の原因によるものであるのかを容易且つ即座に確認することができる。

以上、本発明の実施形態による超音波測定器について説明したが、本発明は上述した実施形態に制限されることなく、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上述した第１，２実施形態における超音波測定器１，２は何れも、配管ＴＢ内を流れる流体Ｘの界面レベル（ある時点における流体Ｘの液面位置）を求めるものであったが、流体Ｘの界面レベルの時間変化（例えば、３０秒程度の時間変化）から流体Ｘの界面の状態（界面の揺れの程度）を求める（判定する）ものであっても良い。

図１１は、本発明の変形例を説明するための図である。尚、図１１においては、図６と同様に、配管ＴＢの中心位置を原点位置「０」としており、超音波信号Ｕ２（図３参照）の進行方向における配管ＴＢの両端位置を位置「−ｒ」，「ｒ」としている。流体Ｘの界面が安定している状態（波のような揺れが生じていない場合）には、図３に示す通り、超音波信号Ｕ２が流体Ｘの界面に対して垂直入射（或いは、ほぼ垂直入射）するため、反射信号の強度は高くなり、反射信号が得られる位置もほぼ一定である。このため、このような状態で得られる超音波信号Ｕ２の反射信号は、図中符号Ｒ１１を付して示す曲線の通り、強度が高くなり、且つ半値幅が小さくなる。

これに対し、流体Ｘの界面が不安定な状態（波のような揺れが生じている場合）には、流体Ｘの界面が波打った状態になり、超音波信号Ｕ２が流体Ｘの界面に対して斜めに入射することが多くなるため、反射信号の強度は低くなり、反射信号が得られる位置も大きく変化する。このため、このような状態で得られる超音波信号Ｕ２の反射信号は、図中符号Ｒ１２を付して示す曲線の通り、強度が低くなり、且つ半値幅が大きくなる。

このため、超音波信号Ｕ２の反射信号を受信して得られる受信信号の強度に対する閾値（強度閾値）と半値幅に対する閾値（半値幅閾値）とを設定し、受信信号の強度が強度閾値を超えているか否か、及び受信信号の半値幅が半値幅閾値を超えているか否かを総合的に考慮して、流体Ｘの界面の状態を判定するようにしても良い。例えば、受信信号の強度が強度閾値を超えており、且つ受信信号の半値幅が半値幅閾値を超えていない場合には、流体Ｘの界面が安定な状態であると判定し、受信信号の強度が強度閾値を超えておらず、且つ受信信号の半値幅が半値幅閾値を超えている場合には、流体Ｘの界面が不安定な状態であると判定するといった具合である。

また、上述した第２実施形態の超音波測定器２は、図８に示す通り、送受信部１０ａが配管ＴＢの底部における外表面に取り付けられ、送受信部１０ｂが配管ＴＢの上部における外表面に取り付けられているものであった。しかしながら、送受信部１０ａ，１０ｂは、透過法による測定が可能であれば、双方が配管ＴＢの底部における外表面に取り付けられていても良い。

また、上記実施形態では、超音波信号Ｕ２の反射信号の強度が予め規定された閾値ＴＨを超えて最大となる位置を流体Ｘの界面と判定する例について説明したが、界面の判定方法は、閾値ＴＨを用いる方法以外にも種々の方法を用いることができる。例えば、超音波信号Ｕ２の反射信号に対して微分処理を行って傾きが０になる位置を界面と判定する方法を用いることもできる。かかる方法を用いる場合に、傾きが０になる位置が複数存在するときには、それらの位置における超音波信号Ｕ２の反射信号の強度が最大となる位置を界面と判定すれば良い。

１，２ 超音波測定器
１１ 送受信素子
１２ 楔部材
２４ａ 界面レベル算出部
２４ｂ 流速分布算出部
２４ｃ 流速流量算出部
Ｄ 流れ方向
Ｐ１ 取付面
Ｐ２ 搭載面
Ｒ１，Ｒ２ 領域
ＴＢ 配管
ＴＨ 閾値
Ｕ１，Ｕ２ 超音波信号
Ｘ 流体

Claims (7)

1. 配管を流れる流体に対して超音波信号を送信するとともに、前記流体を介した前記超音波信号を受信して前記流体の流速及び流量の少なくとも一方を測定する超音波測定器において、
   前記流体の流れ方向に対して斜め方向に前記超音波信号を送信し、前記流体から得られる前記超音波信号の反射信号を受信するよう前記配管の外表面に取り付けられた送受信素子と、
   前記送受信素子で受信される前記反射信号のうち、前記流体の流れ方向に対して垂直な方向に向かう前記超音波信号の反射信号の強度変化に基づいて前記流体の界面レベルを求める第１演算部と
   を備えることを特徴とする超音波測定器。
2. 前記第１演算部は、前記流体の流れ方向に対して垂直な方向に向かう前記超音波信号の反射信号の強度が、予め規定された閾値を超えて最大となる位置を前記流体の界面と判定することを特徴とする請求項１記載の超音波測定器。
3. 前記送受信素子で受信される前記反射信号のうち、前記流体の流れ方向に対して斜め方向に送信された前記超音波信号の反射信号を用いて前記配管の径方向における前記流体の流速分布を求める第２演算部を備えており、
   前記第１演算部は、前記流体の流れ方向に対して垂直な方向に向かう前記超音波信号の反射信号の強度が前記閾値を超えない場合には、前記第２演算部で求められた前記流体の流速分布に基づいて前記流体の界面を判定する
   ことを特徴とする請求項２記載の超音波測定器。
4. 前記第１演算部は、前記第２演算部によって前記流体の流速分布が求められた領域と前記流体の流速分布が求められなかった領域との境界の位置を、前記流体の界面と判定することを特徴とする請求項３記載の超音波測定器。
5. 前記流体を透過した前記超音波信号に基づいて前記流体の流速及び流量の少なくとも一方を求める第３演算部を備えており、
   前記第１演算部は、前記第３演算部で前記流体の流速及び流量を測定することができなかった場合に前記流体の界面レベルを求める
   ことを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載の超音波測定器。
6. 前記送受信素子は、前記配管の外表面に当接される第１面と、該第１面に対してなす角が鋭角とされて前記送受信素子が搭載される第２面とを有する取付部材を介して前記配管の外表面に取り付けられることを特徴とする請求項１から請求項５の何れか一項に記載の超音波測定器。
7. 前記第１演算部で求められた界面レベルの時間変化から前記流体の界面の状態を判定することを特徴とする請求項１から請求項６の何れか一項に記載の超音波測定器。

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