JP5629265B2 - 超音波流量計 - Google Patents

Description

本発明は全般的には流量計に関し、またより具体的にはコンジット中を流れる媒質の流量を当該媒質を通過する超音波信号の計測伝播時間を用いて決定するように設計された超音波流量計に関する。

高速の流量（特に、気体流量）を計測するために超音波流量計を用いることは、流量が増加するに連れて信号品質が急激に劣化するため、かなりの困難を伴う可能性がある。大きな流量において信号品質が劣ることによって、信号対雑音比（ＳＮＲ）が低くなるのが通常であり、高速のフローにより誘導されるビームドリフト、大きな流量で見られるノイズレベルの大幅な増大、超音波信号の乱流関連の減衰、散乱及び歪みといった要因にこれを帰着させることができる。高速度におけるノイズは周知の信号処理技法の適用により最小限にすることが可能であり、またビームドリフトは当技術分野で周知の方法の適用によって部分的に補償することが可能であるが、乱流に由来する減衰及び歪みは本技術分野において問題のまま残されている。

米国特許第５０７５７５３号

したがって、１２０ｍ／ｓ程度またこれを超えるような大きな流量においても高信頼の結果を得ることが可能な超音波流量計を提供する必要性が存在する。

一実施形態では、コンジット中をあるフロー方向に流れる媒質の流量を計測するための超音波流量計を提供しており本超音波流量計は、コンジットに装着された第１の超音波放出体及び第２の超音波放出体と、コンジットに装着されると共に第１の超音波放出体が放出した第１の超音波信号を受信するように構成された第１の超音波受信器と、コンジットに装着されると共に第２の超音波放出体が放出した第２の超音波信号を受信するように構成された第２の超音波受信器と、を備えると共に、第１の超音波信号が第１の超音波放出体から第１の超音波受信器まで伝播する第１の時間間隔並びに第２の超音波信号が第２の超音波放出体から第２の超音波受信器まで伝播する第２の時間間隔に基づいて流量が決定されている。幾つかの実施形態では、その第１の超音波信号は第１の送信経路に沿ってフロー方向の下流方向にあるいはこれと実質的に垂直方向に伝播しており、また第２の超音波信号は第２の送信経路に沿って前記フロー方向に関して下流方向に伝播している。別の実施形態ではその第１の超音波信号は第１の送信経路に沿って伝播すると共に第１の送信経路とフロー方向の間に第１の角度を形成しており、また第２の超音波信号は第２の送信経路に沿って伝播すると共に第２の送信経路とフロー方向の間に異なる第２の角度を形成している。

別の実施形態では、コンジット中をあるフロー方向に流れる媒質の流量を計測する方法を提供しており、本方法は、コンジットに装着された第１の超音波放出体からコンジットに装着された第１の超音波受信器まで第１の送信経路に沿ってフロー方向の下流方向あるいはこれと実質的に垂直方向で第１の超音波信号を送信すると共に第１の送信経路とフロー方向の間に第１の角度を形成するステップと、第１の超音波信号が第１の超音波放出体から第１の超音波受信器まで伝播する第１の時間間隔を計測するステップと、コンジットに装着された第２の超音波放出体からコンジットに装着された第２の超音波受信器まで第２の送信経路に沿ってフロー方向の下流方向で第２の超音波信号を送信すると共に第２の送信経路とフロー方向の間に第２の角度を形成するステップと、第２の超音波信号が第２の超音波放出体から第２の超音波受信器まで伝播する第２の時間間隔を計測するステップと、第１の時間間隔及び第２の時間間隔に基づいて流量を決定するステップと、を含む。

本発明の一実施形態による超音波流量計の概要図である。 共通の媒質中を伝播する等価の上流信号と下流信号に関する受信信号電圧を表した例示的なグラフである。 本発明の一実施形態による超音波放出体が放出した超音波信号の観測速度のベクトルを表した図である。 本発明の別の実施形態による超音波放出体と受信器を配列させる方法を表した図である。 本発明の別の実施形態による超音波放出体と受信器を配列させる方法を表した図である。 本発明の別の実施形態による超音波放出体と受信器を配列させる方法を表した図である。 本発明の別の実施形態による超音波放出体と受信器を配列させる方法を表した図である。

図面は必ずしも縮尺通りではなく、むしろ本発明の原理を例証する際に全体として強調を行っている。これらの図面では、同じ部分を示すために様々な図の全体にわたって同じ番号を用いている。

本発明の一実施形態では、図１で最もよく観察されるような、コンジット１００中（例えば、パイプ中を）あるフロー速度Ｖで流れる媒質（例えば、気体や液体）の流量を決定するための超音波流量計１０００を提供する。流量計１０００は２つの超音波放出体１１０及び１２０を備えることが可能であり、一実施形態ではこれらをコンジット１００の内部表面上に装着することが可能である。超音波放出体を（例えば、コンジット１００の外部表面上に）装着するための別の方法も本発明の趣旨及び精神の域内にあることは当業者であれば理解されよう。

流量計１０００はさらに２つの超音波受信器１３０及び１４０を備えることが可能であり、一実施形態ではこれらは、第１の超音波受信器１３０により第１の超音波放出体１１０が放出した超音波信号の受信が可能でありかつ第２の超音波受信器１４０により第２の超音波放出体１２０が放出した超音波信号の受信が可能であるようにコンジット１００の相対する内部表面上に装着することが可能である。超音波受信器を（例えば、コンジット１００の外部表面上に）装着するための別の方法も本発明の趣旨及び精神の域内にあることは当業者であれば理解されよう。

一実施形態ではその超音波放出体／受信器の対は、下流側信号は通常（特にフロー速度が大きい場合に）上流側信号と比べて生成する信号対雑音比（ＳＮＲ）がより良好であることが分かっているため、少なくとも１つの超音波受信器が常に対応する超音波放出体から下流側（すなわち、フロー方向１９９の先）に配置されるような方式で配列させることが可能である。この現象は、下流側信号は媒質を基準として伝播するフロー内の距離が常により小さく、このために回折、吸収、散乱及び歪みに起因する損失がより小さいという事実によってそのかなりの程度を説明することが可能である。図２は、流量が１５０ｆｔ／ｓの空気中で概ね６．２インチだけ離して相対させた１対の１００ｋＨｚトランスジューサを用いた例示的な受信上流側信号２１０及び下流側信号２２０を表したグラフ２００である。トランスジューサは、ピーク対ピークの振幅が２００Ｖの１００ｋＨｚを中心とする４サイクルの方形波によって駆動させている。図示したように、受信した下流側信号２２０の振幅は受信した上流側信号２１０の振幅より約４倍強力であり、このため与えられるノイズレベルが一定であればＳＮＲがより良好となる。フロー速度が増大するに連れて、上流側信号２１０と下流側信号２２０の間のＳＮＲの差も同様に増大する可能性がある。

再度図１を見ると、コンジット１００全体にわたってフロー速度が実質的に均一であると仮定して、超音波放出体１１０により放出され送信経路１１５に沿って超音波受信器１３０まで伝播する超音波信号の観測速度は、図３で最もよく観察されるように、媒質中における音速Ｃとフロー速度Ｖのベクトルの送信経路１１５に沿った成分との和で表現することができる。したがって、超音波信号の観測速度は次式を用いて計算することができる。

Ｖ_ｏ＝Ｃ＋Ｖｃｏｓα （１）
上式において、
Ｖ_ｏは、超音波放出体１１０により放出され送信経路１１５に沿って超音波受信器１３０まで伝播される超音波信号の観測速度であり、
Ｃは、コンジット１００を通過して流れる媒質中の音速であり、
Ｖは、コンジット１００を通過して流れる媒質の流量であり、また
αは、超音波放出体１１０により放出される超音波信号の送信経路１１５とフロー方向１９９との間の角度である。

したがって、超音波放出体１１０により放出される超音波信号が超音波受信器１３０に到達するまでの伝播時間は次式で表現することができる
ｔ_１＝Ｐ_１／（Ｃ＋Ｖｃｏｓα） （２）
上式において、
ｔ_１は、超音波放出体１１０により放出される超音波信号が超音波受信器１３０に到達するまでの伝播時間であり、また
Ｐ_１は、超音波信号が超音波放出体１１０から超音波受信器１３０まで伝播される経路長である。

同様に、超音波放出体１２０により放出される超音波信号が超音波受信器１４０に到達するまでの伝播時間は次式で表現することができる。

ｔ_２＝Ｐ_２／（Ｃ＋Ｖｃｏｓβ） （３）
上式において、
ｔ_２は、超音波放出体１２０により放出される超音波信号が超音波受信器１４０に到達するまでの伝播時間であり、
Ｐ_２、超音波信号が超音波放出体１２０から超音波受信器１４０まで伝播される経路長であり、また
βは、超音波放出体１２０により放出される超音波信号の送信経路１２５とフロー方向１９９との間の角度である。

式（３）を用いると、媒質中の音速Ｃを次式のようにして決定することができる。

Ｃ＝Ｐ_２／ｔ_２−Ｖｃｏｓβ （４）
式（２）を用いると共に式（４）からのＣの代入によって、媒質の流量Ｖを次式のようにして決定することができる（明瞭にするために式の変換は省略した）。

Ｖ＝（Ｐ_１／ｔ_１−Ｐ_２／ｔ_２）／（ｃｏｓα−ｃｏｓβ） （５）
式（４）を用いると共に式（５）からのＶの代入によって、コンジット１００中を流れる媒質中の音速Ｃを次式のようにして決定することができる（明瞭にするために式の変換は省略した）。

С＝（Ｐ_１ｃｏｓβ／ｔ_１−Ｐ_２ｃｏｓα／ｔ_２）／（ｃｏｓβ−ｃｏｓα） （６）
式（５）及び（６）から、超音波放出体１１０及び１２０と受信器１３０及び１４０の位置決めが媒質中の流量及び音速の決定の正確さに大きな影響を及ぼすことが分かる。例えば、角度αとβの間の差を大きくすると結果をより正確にすることができる。しかし具体的なある用途では、超音波放出体１１０及び１２０と受信器１３０及び１４０の配列はコンジット１００の幾何学的寸法による影響を受ける可能性がある。

図１に示した実施形態では、超音波受信器１３０及び１４０がそれぞれの超音波放出体１１０及び１２０より下流側に（すなわち、フロー方向１９９の先に）配置されており、これによりそれぞれの超音波信号送信経路１１５及び１２５とフロー方向１９９の間の角度α及びβは鋭角となる。したがって下流側信号のみが計測され、これにより結果のＳＮＲが改善される。

図４に示した別の実施形態ではその超音波放出体１１０及び超音波受信器１３０は、超音波放出体１１０により放出される超音波信号の送信経路１１５とフロー方向１９９との間の角度αが実質的に９０°となるようにしてコンジット１００に装着されている。したがって、超音波放出体１１０により放出される超音波信号はフロー方向１９９と実質的に垂直の経路に沿って伝播する。

図５に示した別の実施形態ではその超音波放出体及び超音波受信器を、コンジット１００に装着させた超音波信号の送信と受信の両方が可能な超音波トランスジューサ１４５によって提供している。この実施形態では、超音波トランスジューサ１４５の反対側でコンジット１００に装着させた超音波反射体１６０を用いて、トランスジューサ１４５が放出した信号を反射してトランスジューサ１４５に戻すことができる。超音波トランスジューサ１４５が放出した超音波信号は、フロー方向１９９と実質的に垂直な送信経路１１５に沿って伝播し、超音波反射体１６０により反射され、さらに超音波トランスジューサ１４５に戻してこれによって受信している。個別の放出体と受信器を排除することによってこの実施形態はさらに流量計の総コストを削減することが可能である。

図６に示した別の実施形態では、超音波受信器１３０を超音波放出体１１０のすぐ隣でコンジット１００に装着させている。超音波放出体１１０により放出される超音波信号はフロー方向１９９と実質的に垂直な送信経路１１５に沿って伝播し、超音波反射体１６０により反射され、さらに超音波受信器１３０によって受信される。単一の超音波トランスジューサではなく超音波放出体１１０の近くに装着した超音波受信器１３０を用いることによってクロストークやリングダウン効果が最小限になり、これにより計測の確度が増大する。

図７に示した別の実施形態では、超音波トランスジューサ１４５と超音波放出体１２０により放出される超音波信号の２つの経路間の角度差を最大化（すなわち、α＝９０°かつβ＝０°）させており、これにより結果の確度を増大させている。

本発明の別の態様では、媒質のフローに由来するビームドリフトが補償を要する場合に本明細書に記載した構成のうちのいずれかに対してリカバリー角度を適用することが可能である。さらに、リカバリー角度法によれば下流側の受信信号振幅が上流側信号と比べてより大きな度合で改善されることも観察されている。

本発明のさらに別の態様では、超音波放出体１１０及び１２０と超音波受信器１３０及び１４０、または超音波トランスジューサ１４５を、放出された超音波信号が媒質のフローに対する上流方向に導かれるように配置することが可能である。

この記載では、本発明（最適の形態を含む）を開示するため、並びに当業者による本発明の製作及び使用を可能にするために例を使用している。本発明の特許性のある範囲は本特許請求の範囲によって規定していると共に、当業者により行われる別の例を含むことができる。こうした別の例は、本特許請求の範囲の文字表記と異ならない構造要素を有する場合や、本特許請求の範囲の文字表記と実質的に差がない等価的な構造要素を有する場合があるが、本特許請求の範囲の域内にあるように意図したものである。

１００ コンジット
１１０ 超音波放出体
１１５ 送信経路
１２０ 超音波放出体
１２５ 送信経路
１３０ 超音波受信器
１４０ 超音波受信器
１４５ 超音波トランスジューサ
１６０ 超音波反射体
１９９ フロー方向
２００ グラフ
２１０ 上流側信号
２２０ 下流側信号
１０００ 超音波流量計

Claims (9)

1. コンジット中をあるフロー方向で流れる媒質の流量を計測するための超音波流量計であって、
   前記コンジットに装着された第１の超音波放出体及び第２の超音波放出体と、
   前記コンジットに装着されると共に前記第１の超音波放出体により放出された第１の超音波信号を受信するように構成された第１の超音波受信器であって、前記第１の超音波信号は第１の送信経路長に沿って前記フロー方向の下流方向に伝播すると共に前記第１の送信経路と前記フロー方向の間に第１の角度を形成している第１の超音波受信器と、
   前記コンジットに装着されると共に前記第２の超音波放出体により放出された第２の超音波信号を受信するように構成された第２の超音波受信器であって、前記第２の超音波信号は第２の送信経路長に沿って前記フロー方向に対する下流方向に伝播すると共に前記第２の送信経路と前記フロー方向の間に第２の角度を形成しており、かつ前記第１の角度と前記第２の角度が異なっている第２の超音波受信器と、を備えており、
   前記流量は、前記第１の超音波信号が前記第１の超音波放出体から前記第１の超音波受信器まで伝播する第１の時間間隔並びに前記第２の超音波信号が前記第２の超音波放出体から前記第２の超音波受信器まで伝播する第２の時間間隔に基づいて決定されている超音波流量計。
2. 前記流量は、前記第１の時間間隔に対する前記第１の送信経路長の第１の比と前記第２の時間間隔に対する前記第２の送信経路長の第２の比との間の差を求め、該差をさらに前記第１の角度の余弦と前記第２の角度の余弦の間の差によって割り算した値として決定される、請求項１に記載の超音波流量計。
3. 前記媒質中の音速は、前記第１の時間間隔及び前記第２の時間間隔に基づいて決定されている、請求項１または２に記載の超音波流量計。
4. 前記媒質中の音速は、前記第１の送信経路長に前記第２の角度の余弦を掛け算したものの前記第１の時間間隔に対する第１の比と前記第２の送信経路長に前記第１の角度の余弦を掛け算したものの前記第２の時間間隔に対する第２の比の間の差を求め、該差をさらに前記第２の角度の前記余弦と前記第１の角度の前記余弦の間の差によって割り算した値として決定される、請求項３に記載の超音波流量計。
5. 前記超音波放出体と前記超音波受信器のうちの少なくとも一方は前記コンジットの内部表面上に装着されている、請求項１から４のいずれかに記載の超音波流量計。
6. コンジット中をあるフロー方向に流れる媒質の流量を計測する方法であって、
   前記コンジットに装着された第１の超音波放出体から前記コンジットに装着された第１の超音波受信器まで第１の送信経路長に沿って前記フロー方向の下流方向に第１の超音波信号を送信すると共に前記第１の送信経路と前記フロー方向の間に第１の角度を形成するステップと、
   前記コンジットに装着された第２の超音波放出体から前記コンジットに装着された第２の超音波受信器まで第２の送信経路長に沿って前記フロー方向に対する下流方向に第２の超音波信号を送信すると共に前記第２の送信経路と前記フロー方向の間に第２の角度を形成するステップであって、前記第１の角度と前記第２の角度が異なっている送信形成ステップと、
   前記第１の超音波信号が前記第１の超音波放出体から前記第１の超音波受信器まで伝播する第１の時間間隔を計測するステップと、
   前記第２の超音波信号が前記第２の超音波放出体から前記第２の超音波受信器まで伝播する第２の時間間隔を計測するステップと、
   前記第１の時間間隔及び前記第２の時間間隔に基づいて前記流量を決定するステップと、
   を含む方法。
7. 前記流量を決定する前記ステップは、前記第１の時間間隔に対する前記第１の送信経路長の第１の比と前記第２の時間間隔に対する前記第２の送信経路長の第２の比との間の差を決定するステップを含んでおり、前記差はさらに前記第１の角度の余弦と前記第２の角度の余弦の間の差によって割り算されている、請求項６に記載の方法。
8. 前記第１の時間間隔及び前記第２の時間間隔に基づいて前記媒質中の音速を決定するステップをさらに含む請求項６または７に記載の方法。
9. 前記媒質中の前記音速を決定する前記ステップは、前記第１の送信経路長に前記第２の角度の余弦を掛け算したものの前記第１の時間間隔に対する第１の比と前記第２の送信経路長に前記第１の角度の余弦を掛け算したものの前記第２の時間間隔に対する第２の比の間の差を決定するステップを含んでおり、前記差はさらに前記第２の角度の前記余弦と前記第１の角度の前記余弦の間の差によって割り算されている、請求項８に記載の方法。