WO2017204117A1 - 流体計測装置 - Google Patents

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WO2017204117A1
WO2017204117A1 PCT/JP2017/018893 JP2017018893W WO2017204117A1 WO 2017204117 A1 WO2017204117 A1 WO 2017204117A1 JP 2017018893 W JP2017018893 W JP 2017018893W WO 2017204117 A1 WO2017204117 A1 WO 2017204117A1
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WO
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flow velocity
fluid
propagation time
ultrasonic
unit
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PCT/JP2017/018893
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English (en)
French (fr)
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木代　雅巳
泰文 森本
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Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G01F1/667—Arrangements of transducers for ultrasonic flowmeters; Circuits for operating ultrasonic flowmeters
    • G01F1/668—Compensating or correcting for variations in velocity of sound
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/24—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting acoustical wave
    • G01P5/245—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting acoustical wave by measuring transit time of acoustical waves

Definitions

  • the present invention relates to a fluid measurement device that measures the flow velocity and flow rate of a fluid using ultrasonic waves.
  • a propagation time difference method is known as a method for measuring the flow velocity and flow rate of a fluid using ultrasonic waves (see, for example, Patent Document 1).
  • This method utilizes a phenomenon in which ultrasonic waves are transmitted and received in a direction along the flow and in a direction against the flow with respect to the flow of the fluid, and the difference in the propagation time of the ultrasonic waves in the two directions changes depending on the flow velocity of the fluid.
  • Patent Document 1 discloses a technique for improving the S / N ratio (signal to noise ratio) by performing transmission and reception of ultrasonic waves a plurality of times and performing synchronous addition averaging of measured waveforms. It is disclosed.
  • the speed of sound of ultrasonic waves is not constant, but changes under the influence of other physical quantities such as temperature. Therefore, if the S / N ratio is improved by measuring the propagation time of the ultrasonic wave to the fluid multiple times by the propagation time difference method, the measurement error will be affected by the temperature change for the longer measurement time. There is a growing problem.
  • the present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a fluid measuring device that can accurately measure the flow velocity of a fluid even when the speed of sound in the fluid changes. It is to provide.
  • the fluid measurement device of the present invention includes at least a pair of ultrasonic transmission / reception means for transmitting / receiving ultrasonic waves to a fluid flowing in a pipe, a time measurement unit for measuring a propagation time of ultrasonic waves transmitted / received by the ultrasonic transmission / reception means, A flow velocity measurement unit that obtains the flow velocity of the fluid from the ultrasonic propagation time measured by the time measurement unit, wherein one of the pair of ultrasonic transmission / reception means is arranged upstream of the pipe and the other is arranged downstream of the pipe.
  • the flow velocity Va and the flow velocity Vb are measured by changing the measurement order of the propagation time.
  • the sign of the error that occurs and the error that occurs in the flow velocity Vb can be reversed. Therefore, since the error can be canceled by using the flow velocity Va and the flow velocity Vb, the ultrasonic wave propagation time can be measured a plurality of times to improve the S / N ratio, and the fluid flow velocity can be accurately measured.
  • the flow velocity of the fluid can be accurately measured.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fluid measuring device according to an embodiment.
  • the fluid measuring device 1 measures the flow velocity of the fluid 102 flowing in the pipe 100 using ultrasonic waves.
  • a pair of ultrasonic probes 10 a and 10 b as a pair of ultrasonic transmission / reception means is disposed so as to face the flow of the fluid 102 in an oblique direction.
  • the ultrasonic probe 10a is disposed on the upstream side with respect to the flow of the fluid 102 in the pipe 100, and the ultrasonic probe 10b is disposed on the downstream side.
  • the ultrasonic probes 10a and 10b include wedges 12a and 12b attached to the pipe 100, respectively, and ultrasonic transducers 11a and 11b that apply ultrasonic waves to the wedges 12a and 12b.
  • the ultrasonic transducer 11a is connected to the transmission unit 31 and the reception unit 32 via the switch unit 33a
  • the ultrasonic transducer 11b is connected to the transmission unit 31 and the reception unit 32 via the switch unit 33b.
  • the switch units 33a and 33b switch the connection destination of the ultrasonic probes 10a and 10b to the transmission unit 31 or the reception unit 32, and switch the pair of ultrasonic probes 10a and 10b for transmission or reception.
  • the transmission unit 31 is connected to the time measurement unit 34, and outputs drive signals to the ultrasonic transducers 11a and 11b in response to instructions from the time measurement unit 34.
  • the receiving unit 32 is connected to the time measuring unit 34, and outputs the electric signal input to the ultrasonic transducers 11 a and 11 b to the time measuring unit 34.
  • the time measurement unit 34 measures the propagation time from when the drive signal is output from the transmission unit 31 to when the electrical signal is input from the reception unit 32.
  • the switch units 33a and 33b are respectively connected to the control unit 35. The switches 33a and 33b are switched by a signal from the control unit 35, and the transmission / reception relationships of the ultrasonic probes 10a and 10b are reversed.
  • a drive signal (current) corresponding to the waveform of the ultrasonic wave is applied from the transmission unit 31 via the switch unit 33 a to the ultrasonic transducer 11 a to generate ultrasonic waves.
  • the ultrasonic wave passes through the wedge 12a and the wall surface 101, and enters the fluid 102 in the pipe 100 at a predetermined angle ⁇ .
  • the ultrasonic wave incident on the pipe 100 is propagated along the flow of the fluid 102 to the ultrasonic probe 10b facing the ultrasonic probe 10a.
  • the ultrasonic wave propagated to the ultrasonic probe 10b is converted into an electric signal by the ultrasonic transducer 11b and input to the receiving unit 32 via the switch 33b.
  • the time measuring unit 34 measures the propagation time Tf of the ultrasonic wave from the upstream ultrasonic probe 10a toward the downstream ultrasonic probe 10b.
  • a drive signal is applied from the transmission unit 31 to the ultrasonic transducer 11b via the switch unit 33b to generate ultrasonic waves.
  • the ultrasonic wave passes through the wedge 12b and the wall surface 101, enters the fluid 102 in the pipe 100 at a predetermined angle ⁇ , and is transmitted to the ultrasonic probe 10a.
  • the ultrasonic wave input to the ultrasonic transducer 11a is converted into an electric signal and input to the receiving unit 32 via the switch 33a.
  • the time measurement unit 34 measures the propagation time Tr of the ultrasonic wave from the downstream ultrasonic probe 10b to the upstream ultrasonic probe 10a.
  • the flow rate measuring unit 36 is connected to the time measuring unit 34 via the control unit 35, and the flow rate measuring unit 37 is connected to the flow rate measuring unit 36.
  • the flow rate measuring unit 36 calculates the flow rate of the fluid 102 from the ultrasonic propagation times Tf and Tr, and the flow rate measuring unit 37 calculates the flow rate of the fluid 102 from the flow rate of the fluid 102 obtained by the flow rate measuring unit 36.
  • the flow rate of the fluid 102 obtained by the flow velocity measuring unit 36 may be removed from a high frequency component by performing, for example, a damping process described later in a removal processing unit (not shown). Thereby, a measurement result can be stabilized and the error in the measurement result of the flow velocity of the fluid 102 can be reduced.
  • the time measuring unit 34, the control unit 35, the flow velocity measuring unit 36, and the flow rate measuring unit 37 are configured by a processor, a memory, and the like that execute various processes.
  • the memory is composed of one or a plurality of storage media such as a ROM (Read Only Memory) and a RAM (Random Access Memory) depending on the application.
  • the time measuring unit 34 may be composed of a time measuring circuit, a time measuring device, a time measuring device, and the like.
  • the control unit 35 may include a control circuit, a controller, a control device, and the like.
  • the flow velocity measuring unit 36 may be composed of a flow velocity measuring circuit, a flow velocity measuring device, a flow velocity measuring device, and the like.
  • the flow rate measurement unit 37 may be configured with a flow rate measurement circuit, a flow rate measurement device, a flow rate measurement device, and the like.
  • equation (3) is shown when the flow velocity V of the fluid 102 is solved.
  • V L / 2 cos ⁇ ⁇ ((1 / Tf) ⁇ (1 / Tr)) (3)
  • the flow rate Q of the fluid is expressed as in Expression (4) using the flow velocity V of the fluid 102 and the cross-sectional area A of the pipe 100.
  • Q V ⁇ A (4)
  • the cross-sectional area A of the pipe 100 is expressed by the equation (5) using the inner diameter D of the pipe 100.
  • A (D / 2) 2 ⁇ ⁇ (5)
  • the measurement of the propagation time Tf or Tr is continuously performed a plurality of times, and the S / N ratio can be improved by synchronously averaging the measured waveforms, thereby improving the measurement accuracy.
  • the flow velocity V of the fluid 102 expressed by the equations (1) to (3) is based on the assumption that the sound velocity C of the fluid 102 is constant. Actually, it is known that the speed of sound C of the fluid 102 changes depending on the temperature of the fluid 102, for example.
  • the propagation time Tr ′ when the sound speed of the fluid 102 when measuring the propagation time Tr ′ in consideration of the change in sound speed is changed to C + ⁇ C with respect to the sound speed C of the fluid 102 when the propagation time Tf is measured, the propagation time Tr ′. Is expressed as in equation (6).
  • Tr ′ L / (C + ⁇ C ⁇ V cos ⁇ ) (6)
  • an error occurs in the flow velocity V ′ of the fluid 102 by ⁇ ( ⁇ C / 2 cos ⁇ ).
  • the flow velocity measurement unit 36 obtains the flow velocity Va of the fluid 102 obtained by measuring the propagation time Tr next to the propagation time Tf and the propagation time Tf obtained after the propagation time Tr. The measurement error is canceled using the flow velocity Vb of the fluid 102.
  • the time measurement unit 34 first measures the propagation time Tf1. Next, the control unit 35 switches the switch units 33a and 33b, and then the time measurement unit 34 measures the propagation time Tr1. Subsequently, the time measurement unit 34 measures the propagation time Tr2. The control unit 35 switches the switch units 33a and 33b again, and the time measurement unit 34 measures the propagation time Tf2. The propagation times Tf1, Tr1, Tr2, and Tf2 are input to the flow velocity measuring unit 36, and the time measuring unit 34 calculates the flow velocity V of the fluid 102.
  • Tf1 L / (C + V cos ⁇ ) (12)
  • Tr1 L / (C + ⁇ C ⁇ Vcos ⁇ ) (13)
  • Tr2 L / (C + 2 ⁇ C ⁇ Vcos ⁇ ) (14)
  • Tf2 L / (C + 3 ⁇ C + Vcos ⁇ ) (15)
  • the flow velocity of the fluid 102 obtained from the propagation times Tf1 and Tr1 is Va
  • the flow velocity of the fluid 102 obtained from the propagation times Tr2 and Tf1 is Vb
  • the flow rates Va and Vb of the fluid 102 are obtained from equations (12) to (15).
  • equations (16) and (17) are shown.
  • the time measuring unit 34 changes the measurement order of the propagation times Tf and Tr to measure the propagation time, and the flow velocity measuring unit 36 obtains the flow velocity Va and the flow velocity Vb of the fluid 102 to obtain an error.
  • the flow rate measurement unit 37 uses the flow velocity V of the fluid 102 calculated by the flow velocity measurement unit 36 to calculate the flow rate Q of the fluid 102 from the above equation (4).
  • the time measurement unit 34 alternately measures the propagation time as Tf1, Tr1, Tf2, Tr2,...
  • the flow velocity measurement unit 36 performs the propagation time.
  • the flow velocity Va of the fluid 102 may be obtained from Tf1 and Tr1
  • the flow velocity Vb of the fluid 102 may be obtained from the propagation times Tr1 and Tf2.
  • the propagation times Tf1, Tr1, Tf2 are as shown in equations (19) to (21). Indicated.
  • Tf1 L / (C + V cos ⁇ ) (19)
  • Tr1 L / (C + ⁇ C ⁇ Vcos ⁇ ) (20)
  • Tf2 L / (C + 2 ⁇ C + Vcos ⁇ ) (21)
  • the flow velocity Va of the fluid 102 is obtained from the propagation times Tf2 and Tr2, and the flow velocity of the fluid 102 is calculated from the propagation times Tr2 and Tf3 (the propagation time for ultrasonic waves to propagate from the third upstream to the downstream ultrasonic probe).
  • Vb the flow velocity V of the fluid 102 can be continuously measured with high accuracy.
  • the propagation time Tf is continuously measured a plurality of times
  • the propagation time Tr is continuously measured a plurality of times, thereby improving the S / N ratio and improving the measurement accuracy.
  • FIG. 3 is a diagram showing a plurality of pairs of ultrasonic transmission / reception means according to the embodiment.
  • 3A is a cross-sectional view of the piping
  • FIG. 3B is a side view of the piping.
  • the fluid measuring apparatus 1 measures ultrasonic propagation times Tr and Tf along three measurement lines L1, L2, and L3 using three pairs of ultrasonic probes 10a1-10a3 and 10b1-10b3.
  • the ultrasonic probes 10a1, 10a2, and 10a3 are disposed on the upstream side in the pipe 100, and the ultrasonic probes 10b1, 10b2, and 10b3 are disposed on the downstream side of the pipe.
  • the fluid measuring device 1 having the three pairs of ultrasonic probes 10a1-10a3, 10b1-10b3, the result of simulating the error of the flow velocity of the fluid 102 that occurs when the sound velocity of the fluid 102 changes is shown. It is shown in FIGS. Water was used as the fluid 102, and the change in the sound velocity C was simulated when the water temperature changed over a period of 3 seconds at a rate of 1 ° C. per second. A simulation was performed in which the flow velocity V of the fluid 102 was 0 and the inner diameter of the pipe 100 was 50 mm.
  • FIG. 4 is a diagram showing the measurement results of the fluid according to the comparative example.
  • 4A shows the relationship between time and the sound speed change of water
  • FIG. 4B shows the relationship between the measurement result of time and water flow velocity
  • FIG. 4C shows the output result when the measurement result of FIG. 4B is damped.
  • the flow rate of water was measured in the order of survey line L1, survey line L2, survey line L3, survey line L1, survey line L2, survey line L3,.
  • the propagation time Tf was first measured, then Tr was measured to determine the flow velocity V of the fluid 102 using the flow velocity Va of the fluid 102, and the flow velocity Vb was not used.
  • the weighting of each survey line L1, L2, L3 was made equal to 1/3.
  • the damping calculation was performed with a time constant of 5 seconds on the measurement result of FIG. 4B.
  • the damping calculation is a first-order lag calculation, and the same effect as when passing through a first-order low-pass filter with a time constant of 5 seconds can be obtained.
  • the fluid measuring device 1 is provided with a removal processing unit (not shown) that performs a damping process.
  • the horizontal axis is time
  • the vertical axis is the sound velocity C of water
  • the horizontal axis is time
  • the vertical axis is the measurement result of the flow velocity V of water
  • the horizontal axis is time
  • the vertical axis is damping processing in FIG. 4C.
  • the measurement result of the flow velocity V of the collected water is shown.
  • the sound speed C of water rises from 0 seconds to 3 seconds when the water temperature changes, and the sound speed C of water is constant after 3 seconds.
  • FIG. 4C even if the measurement result of FIG. 4B is dumped, the error is not suppressed, and the error has an absolute value of 0.15 m / s at the maximum.
  • FIG. 5 is a diagram showing the measurement results of the fluid according to the above embodiment.
  • 5A shows the relationship between time and the sound speed change of water
  • FIG. 5B shows the relationship between the measurement result of time and water flow velocity
  • FIG. 5C shows the output result when the measurement result of FIG. 5B is damped.
  • the flow rate of water was measured in the order of line L1, line L2, line L3, line L1, line L2, line L3,.
  • the propagation times Tf and Tr were measured by changing the order, and the flow velocity Va and the flow velocity Vb of the fluid 102 were alternately measured in order in each of the measurement lines L1, L2, and L3.
  • the weights of the ultrasonic probe pair 21, the ultrasonic probe pair 22, and the ultrasonic probe pair 23 were equal to 1/3.
  • a damping calculation with a time constant of 5 seconds was performed on the measurement result of FIG. 5B.
  • the values on the vertical and horizontal axes in FIGS. 5A to 5C are the same as those in FIGS. 4A to 4C.
  • the error is suppressed from a maximum of 0.35 m / s to 0.12 m / s in absolute value as compared with FIG. 4B.
  • FIG. 5C when the measurement result of FIG. 5B is damped, the error is greatly suppressed from the maximum of 0.15 m / s to 0.01 m / s as compared with FIG. 5C.
  • the error can be canceled by measuring the flow velocity Va and the flow velocity Vb using a plurality of pairs of ultrasonic probes 10a1-10a3, 10b1-10b3, the measurement error can be suppressed.
  • FIG. 6 is a diagram showing a fluid measurement result according to the above embodiment.
  • 6A shows the relationship between time and the change in the sound speed of water
  • FIG. 6B shows the relationship between the measurement result of time and the flow velocity of water
  • FIG. 6C shows the output result when the measurement result of FIG. .
  • the weight of the survey line L1 and the survey line L3 is set to 0.4
  • the weight of the survey line L2 is set to 0.2
  • the total of the three survey lines is set to 1.
  • the flow rate of water was measured in the order of survey line L1, survey line L2, survey line L3, survey line L1, survey line L2, survey line L3,.
  • each of the survey lines L1, L2, and L3 the propagation times Tf and Tr were measured while changing the order, and the flow velocity Va and the flow velocity Vb of the fluid 102 were alternately measured in order in each of the survey lines L1, L2, and L3.
  • FIG. 6C a damping calculation with a time constant of 5 seconds was performed on the measurement result of FIG. 6B.
  • the values on the vertical and horizontal axes in FIGS. 6A to 6C are the same as those in FIGS. 4A to 4C.
  • the weighting of each of the measurement lines L1, L2, and L3 it is known that the flow velocity distribution changes when the flow velocity changes, but in advance, experimentally, empirically, or theoretically to cancel the influence. The determined value is used.
  • the weighting of the survey lines L1 and L3 is set to 0.4 and the weight of the survey line L2 is set to 0.2, for example. In general, when the arrangement of the survey lines changes, the weighting also changes.
  • the error increased from a maximum of 0.12 m / s to 0.21 m / s in absolute value as compared with FIG. 5B.
  • FIG. 6C when the measurement result of FIG. 6B was subjected to a damping calculation, the error slightly increased from the maximum 0.01 m / s to 0.02 m / s in absolute value as compared with FIG. 5C.
  • the error when each of the survey lines L1, L2, and L3 is weighted, the error is improved as compared with the comparative example of FIG. 4, but the error is slightly increased as compared with FIG. In this way, when the weights are not uniform, it is effective to assign the flow velocity Va and the flow velocity Vb to each of the measurement lines L1, L2, and L3 according to the weight.
  • FIG. 7 is a diagram showing a fluid measurement result according to the above embodiment.
  • 7A shows the relationship between time and the sound speed change of water
  • FIG. 7B shows the relationship between the measurement result of time and water flow velocity
  • FIG. 7C shows the output result when the measurement result of FIG. 7B is damped.
  • the weight of the survey line L1 and the survey line L3 is set to 0.4
  • the weight of the survey line L2 is set to 0.2
  • the total of the three survey lines is set to 1.
  • the flow rate of water was measured in the order of survey line L1, survey line L2, survey line L3, survey line L1, survey line L2, survey line L3,.
  • the flow velocity of the fluid 102 to be measured on the measurement line L1 having the higher weight is set to Va
  • the flow velocity of the fluid 102 to be measured on the measurement line L3 having the same weight is set to Vb opposite to the measurement line L1, and the measurement is performed on the measurement line L2 having the smallest weight.
  • the flow rate Va and the flow rate Vb were alternately switched every time the flow rate of the fluid 102 was measured.
  • the absolute value of the error was suppressed from a maximum of 0.21 m / s to 0.14 m / s as compared with FIG. 6B.
  • FIG. 7C when the measurement result of FIG. 6B was subjected to a damping calculation, the error was suppressed from the maximum 0.02 m / s to 0.01 m / s in absolute value as compared with FIG. 6C.
  • the measurement error is suppressed by assigning the flow velocities Va and Vb of the fluid 102 measured by the respective survey lines L1, L2, and L3 according to the weight. can do.
  • the flow velocity measured by the pair of ultrasonic probes with the largest weighting is set to one of the flow velocity Va and the flow velocity Vb, and the weighting magnitude is the second and subsequent pairs.
  • the setting order of setting two continuations in either the flow velocity Va or the flow velocity Vb may be repeated. That is, whether the flow rate measured by the pair with the highest weight is set to either Va or Vb, and the flow rate measured by the second and third pair with the highest weight is the flow velocity Va determined by the pair with the highest weight.
  • V or Vb which is different from Vb, is set to Va or Vb, which is the same as the flow velocity Va or Vb determined by the pair with the largest weighting. If the flow velocity measured by the 7th and 7th weighted pair is set to Va or Vb which is different from the flow velocity Va or Vb determined by the most weighted pair, the error suppression effect is enhanced. Can do.
  • the flow velocity Va and the flow velocity Vb may be alternately set in the order of weighting for the flow velocity measured by each pair of ultrasonic probes. That is, the flow velocity to be measured with the pair with the highest weight is set to either the flow velocity Va or Vb, and the flow velocity to be measured with the pair with the second highest weight is set to the flow velocity Va or Vb determined with the pair with the highest weight.
  • the fluid measuring device 1 has the propagation times Tf and Tr of the fluid 102 even when an error occurs in the measurement result of the flow velocity V of the fluid 102 due to the change in the sound velocity C in the fluid 102.
  • the ultrasonic propagation times Tf and Tr are measured a plurality of times to improve the S / N ratio, and the flow velocity V of the fluid 102 is accurately measured. be able to.
  • the fluid measurement device of the present invention includes at least a pair of ultrasonic transmission / reception means for transmitting / receiving ultrasonic waves to a fluid flowing in a pipe, a time measurement unit for measuring a propagation time of ultrasonic waves transmitted / received by the ultrasonic transmission / reception means, A flow velocity measurement unit that obtains the flow velocity of the fluid from the ultrasonic propagation time measured by the time measurement unit, wherein one of the pair of ultrasonic transmission / reception means is arranged upstream of the pipe and the other is arranged downstream of the pipe.
  • the flow velocity Va and the flow velocity Vb are measured by changing the measurement order of the propagation time.
  • the sign of the error that occurs and the error that occurs in the flow velocity Vb can be reversed. Therefore, since the error can be canceled by using the flow velocity Va and the flow velocity Vb, the ultrasonic wave propagation time can be measured a plurality of times to improve the S / N ratio, and the fluid flow velocity can be accurately measured.
  • the time measurement unit alternately measures the first propagation time and the second propagation time, and the first propagation time and the second propagation time in which the flow velocity measurement unit continues.
  • the flow velocity Va may be obtained from the second propagation time and the subsequent first propagation time.
  • the time measuring unit performs a plurality of times of measurement of a propagation time during which the ultrasonic wave propagates from the upstream ultrasonic transmitting / receiving unit to the downstream ultrasonic transmitting / receiving unit.
  • the second propagation time may be obtained by measuring the propagation time during which the ultrasonic wave propagates from the downstream ultrasonic wave transmitting / receiving unit to the upstream ultrasonic wave transmitting / receiving unit a plurality of times.
  • the flow velocity measuring unit has a plurality of pairs of ultrasonic transmission / reception means, measures the first propagation time and the second propagation time in each pair, and sequentially turns each pair.
  • the flow velocity Va and the flow velocity Vb may be measured alternately. With this configuration, the error can be canceled by measuring the flow velocity Va and the flow velocity Vb with a plurality of pairs of ultrasonic transmission / reception means.
  • each pair of the plurality of pairs of ultrasonic transmission / reception means is weighted, and the flow velocity measured by each pair is set to one of the flow velocity Va and the flow velocity Vb according to the weighting magnitude.
  • the flow velocity of the fluid may be obtained by setting and weighted addition. With this configuration, the measurement accuracy can be improved by weighting each pair of ultrasonic transmission / reception means and measuring the flow velocity of the fluid.
  • the flow velocity measured by the pair of ultrasonic transmission / reception means having the largest weight is set to one of the flow velocity Va and the flow velocity Vb, and the weight of the second and subsequent pairs is set.
  • the setting sequence of setting the flow velocity Va or the flow velocity Vb to two continuations may be repeated.
  • the error suppression effect can be enhanced by setting the fluid flow velocity measured by each pair of ultrasonic transmission / reception means in the order of weighting in a predetermined setting order.
  • the flow velocity Va and the flow velocity Vb may be alternately set in the order of weighting for the flow velocity measured by each pair of the ultrasonic transmission / reception means.
  • the error suppression effect can be enhanced by setting the fluid flow velocity measured by each pair of ultrasonic transmission / reception means in the order of weighting in a predetermined setting order.
  • the flow velocity Va and the flow velocity Vb may be alternately set as the flow velocity measured by the pair of ultrasonic transmission / reception means having the smallest weight. With this configuration, the error suppression effect can be enhanced.
  • the fluid measuring device of the present invention it is preferable to have a removal processing unit that removes a high-frequency component from the fluid flow velocity obtained by the flow velocity measuring unit. With this configuration, it is possible to stabilize the measurement result and reduce an error in the measurement result of the fluid flow velocity.
  • the fluid measuring device of the present invention it is preferable to remove high frequency components by a damping process. With this configuration, the measurement result can be stabilized by simple processing, and the error in the measurement result of the fluid flow velocity can be reduced.

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Abstract

流体における音速が変化する場合であっても、精度良く流体の流速を計測することができること。流体計測装置（１）は、流体（１０２）へ超音波を送受信する少なくとも一対の超音波送受信手段と、超音波の伝搬時間を計測する時間計測部（３４）と、超音波の伝搬時間から流体の流速を求める流速計測部（３６）と、を備え、時間計測部が、上流側の超音波送受信手段（１０ａ）から下流側の超音波送受信手段（１０ｂ）に超音波が伝搬する第１の伝搬時間（Ｔｆ）と、下流側の超音波送受信手段から上流側の超音波送受信手段に超音波が伝搬する第２の伝搬時間（Ｔｒ）を計測する。流速計測部が、第１の伝搬時間の次に第２の伝搬時間を計測して求めた流速Ｖａと、第２の伝搬時間の次に第１の伝搬時間を計測して求めた流速Ｖｂとを使って誤差をキャンセルして流体の流速Ｖを求める。

Description

流体計測装置
　本発明は、超音波を利用して流体の流速や流量を計測する流体計測装置に関する。
　一般的に超音波を利用して流体の流速や流量を計測する方法として、伝搬時間差法が知られている（例えば、特許文献１参照）。この方法は、流体の流れに対し、流れに沿う方向と流れに逆らう方向で超音波を送受信し、この２方向の超音波の伝搬時間の違いが流体の流速により変化する現象を利用している。特許文献１には、超音波の送受信を複数回実施して、測定された波形を同期加算平均することで、Ｓ／Ｎ比（信号と雑音の比：Ｓｉｇｎａｌ　ｔｏ　Ｎｏｉｓｅ　Ｒａｔｉｏ）を向上させる技術が開示されている。
特許第５３２６６９７号公報
　伝搬時間差法において、超音波の音速は一定ではなく、温度等の他の物理量の影響を受けて変化する。このため、伝搬時間差法によって流体に対する超音波の伝搬時間を複数回測定してＳ／Ｎ比を向上させようとすると、計測時間が長くなる分だけ温度変化の影響を長く受けて、計測誤差が大きくなる問題がある。
　本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、流体における音速が変化する場合であっても、精度良く流体の流速を計測することができる流体計測装置を提供することにある。
　本発明の流体計測装置は、配管内を流れる流体へ超音波を送受信する少なくとも一対の超音波送受信手段と、前記超音波送受信手段により送受信された超音波の伝搬時間を計測する時間計測部と、前記時間計測部で計測された超音波の伝搬時間から流体の流速を求める流速計測部と、を備え、前記一対の超音波送受信手段の一方が前記配管の上流、他方が前記配管の下流に配設され、前記時間計測部が、前記上流側の超音波送受信手段から前記下流側の超音波送受信手段に超音波が伝搬する第１の伝搬時間及び前記下流側の超音波送受信手段から前記上流側の超音波送受信手段に超音波が伝搬する第２の伝搬時間を計測し、前記流速計測部が、第１の伝搬時間の次に第２の伝搬時間を計測して求めた流速Ｖａと、第２の伝搬時間の次に第１の伝搬時間を計測して求めた流速Ｖｂとを使って誤差をキャンセルするように流体の流速を求めることを特徴とする。
　この構成により、流体における音速が変化することにより流体の流速の計測結果に誤差が生じる場合であっても、伝搬時間の計測順序を替えて流速Ｖａと流速Ｖｂを計測することで、流速Ｖａに生じる誤差と流速Ｖｂに生じる誤差の正負を逆にすることができる。よって、流速Ｖａと流速Ｖｂを用いることで誤差をキャンセルできるため、超音波の伝搬時間を複数回測定してＳ／Ｎ比を向上させて、流体の流速を精度良く計測することができる。
　本発明によれば、流体における音速が変化する場合であっても、精度良く流体の流速を計測することができる。
一実施の形態に係る流体計測装置の概略構成図である。 時間経過に伴う流体の音速の変化の説明図である。 上記実施の形態に係る複数対の超音波送受信手段を示す図である。 比較例に係る流体の計測結果を示す図である。 上記実施の形態に係る流体の計測結果を示す図である。 上記実施の形態に係る流体の計測結果を示す図である。 上記実施の形態に係る流体の計測結果を示す図である。
　以下、本発明の一実施の形態に係る流体計測装置について、詳細に説明する。図１は、一実施の形態の流体計測装置の概略構成図である。
　流体計測装置１は、配管１００内に流れる流体１０２の流速を超音波を用いて計測する。配管１００には、一対の超音波送受信手段として一対の超音波プローブ１０ａ、１０ｂが、流体１０２の流れに対して斜め方向で対向するように配置されている。超音波プローブ１０ａは、配管１００内の流体１０２の流れに対して上流側に配設され、超音波プローブ１０ｂは下流側に配設されている。超音波プローブ１０ａ、１０ｂは、それぞれ配管１００に取り付けられた楔１２ａ、１２ｂと、楔１２ａ、１２ｂに超音波を印加する超音波振動子１１ａ、１１ｂとを備えている。
　超音波振動子１１ａは、スイッチ部３３ａを介して、送信部３１及び受信部３２に接続され、超音波振動子１１ｂは、スイッチ部３３ｂを介して送信部３１及び受信部３２に接続されている。スイッチ部３３ａ、３３ｂは、超音波プローブ１０ａ、１０ｂの接続先を送信部３１又は受信部３２に切り替えて、一対の超音波プローブ１０ａ、１０ｂを送信用又は受信用に切り替えている。
　送信部３１は時間計測部３４に接続されており、時間計測部３４の指示に応じて超音波振動子１１ａ、１１ｂに駆動信号を出力する。受信部３２は、時間計測部３４に接続されており、超音波振動子１１ａ、１１ｂに入力された電気信号を時間計測部３４に出力する。
　時間計測部３４は、送信部３１から駆動信号が出力されてから、受信部３２から電気信号が入力されるまでの伝搬時間を計測する。スイッチ部３３ａ、３３ｂはそれぞれ制御部３５に接続されており、制御部３５からの信号によってスイッチ３３ａ、３３ｂは切り替えられ、超音波プローブ１０ａ、１０ｂの送受信関係が反対にされる。
　流体計測装置１では、時間計測部３４の指示により、送信部３１からスイッチ部３３ａを介して超音波の波形に応じた駆動信号（電流）を超音波振動子１１ａに印加して、超音波を発生させる。超音波は楔１２ａ及び壁面１０１を透過し、配管１００内の流体１０２に所定の角度ψで入射する。配管１００内に入射した超音波は、流体１０２の流れに沿って超音波プローブ１０ａに対向する超音波プローブ１０ｂに伝搬される。超音波プローブ１０ｂに伝搬された超音波は、超音波振動子１１ｂで電気信号に変換され、スイッチ３３ｂを介して受信部３２に入力される。これにより、時間計測部３４では、上流の超音波プローブ１０ａから下流の超音波プローブ１０ｂに向かう超音波の伝搬時間Ｔｆが計測される。
　また超音波プローブ１０ａ、１０ｂを逆に切り替えると、送信部３１からスイッチ部３３ｂを介して超音波振動子１１ｂに駆動信号を印加して超音波を発生させる。超音波は楔１２ｂ及び壁面１０１を透過し、配管１００内の流体１０２に所定の角度ψで入射して、超音波プローブ１０ａに伝搬される。超音波振動子１１ａに入力された超音波は電気信号に変換され、スイッチ３３ａを介して受信部３２に入力される。これにより、時間計測部３４では、下流側の超音波プローブ１０ｂから上流側の超音波プローブ１０ａに向かう超音波の伝搬時間Ｔｒが計測される。
　時間計測部３４には、制御部３５を介して流速計測部３６が接続され、流速計測部３６には流量計測部３７が接続されている。流速計測部３６は超音波の伝搬時間Ｔｆ、Ｔｒから流体１０２の流速を算出し、流量計測部３７は流速計測部３６で求められた流体１０２の流速から流体１０２の流量を算出する。流速計測部３６で求められた流体１０２の流速は、除去処理部（不図示）において、例えば後述するダンピング処理等を行って高周波成分が除去されてもよい。これにより、計測結果を安定化させ、流体１０２の流速の計測結果における誤差を小さくすることができる。
　なお、時間計測部３４、制御部３５、流速計測部３６、流量計測部３７は、各種処理を実行するプロセッサやメモリ等により構成される。メモリは、用途に応じてＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）等の一つ又は複数の記憶媒体で構成される。時間計測部３４は、時間計測回路、時間計測器、時間計測装置等で構成されていてもよい。制御部３５は、制御回路、制御器、制御装置等で構成されていてもよい。流速計測部３６は、流速計測回路、流速計測器、流速計測装置等で構成されていてもよい。流量計測部３７は、流量計測回路、流量計測器、流量計測装置等で構成されていてもよい。
　次に一般的な流体１０２の流速Ｖと流量Ｑの算出方法について説明する。伝搬時間Ｔｒ、Ｔｆは、流体１０２の流速Ｖ、流体１０２の音速Ｃ、超音波プローブ１０ａから超音波プローブ１０ｂまでの超音波の伝搬路長Ｌ、流体１０２の流れ方向に対する超音波の伝搬方向の角度ψを用いて、次のように表わされることが知られている。
　Ｔｆ＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓψ）　　　　　（１）
　Ｔｒ＝Ｌ／（Ｃ－Ｖｃｏｓψ）　　　　　（２）
　式（１）、（２）より、流体１０２の流速Ｖについて解くと式（３）が示される。
　Ｖ＝Ｌ／２ｃｏｓψ×（（１／Ｔｆ）－（１／Ｔｒ））　　　　　（３）
　流体の流量Ｑは、流体１０２の流速Ｖ、配管１００の断面積Ａを用いて式（４）のように表わされる。
　Ｑ＝Ｖ×Ａ　　　　　（４）
　配管１００の断面積Ａは、配管１００の内径Ｄを用いて式（５）のように表わされる。
　Ａ＝（Ｄ／２）２×π　　　　　（５）
　ここで、伝搬時間ＴｆあるいはＴｒの計測を複数回連続して実施し、測定された波形を同期加算平均することでＳ／Ｎ比を向上させて、測定精度を改善することが可能である。
　しかしながら、式（１）から（３）で示される流体１０２の流速Ｖは、流体１０２の音速Ｃが一定であることを前提としている。実際には、流体１０２の音速Ｃは、例えば流体１０２の温度により変化することが知られている。ここで、伝搬時間Ｔｆを計測したときの流体１０２の音速Ｃに対して、音速の変化を考慮した伝搬時間Ｔｒ´を計測したときの流体１０２の音速がＣ＋ΔＣに変化した場合、伝搬時間Ｔｒ´は式（６）のように表わされる。
　Ｔｒ´＝Ｌ／（Ｃ＋ΔＣ－Ｖｃｏｓψ）　　　　　（６）
　式（３）、式（６）より、流体１０２の流速Ｖ´を求めると、式（７）のように示される。
　Ｖ´＝Ｌ／２ｃｏｓψ×（（１／Ｔｆ）－（１／Ｔｒ´））
　　　＝（Ｃ＋Ｖｃｏｓψ－（Ｃ＋ΔＣ－Ｖｃｏｓψ））／２ｃｏｓψ
　　　＝Ｖ－（ΔＣ／２ｃｏｓψ）　　　　　（７）
　式（７）に示すように、流体１０２の流速Ｖ´に－（ΔＣ／２ｃｏｓψ）だけ誤差が発生する。
　超音波の送受信を複数回実施してＳ／Ｎ比を向上させようとすると、伝搬時間Ｔｆ、Ｔｒを計測する時間が長くなり、音速Ｃの変化による影響を長く受けて、流体１０２の音速Ｃの変化ΔＣが大きくなる傾向がある。このため、流体１０２の流速Ｖ´の誤差は増大する。そこで、本実施の形態においては、超音波の伝搬時間Ｔｆ、Ｔｒを複数回測定することで、流体１０２の流速Ｖ´の誤差が大きくなる場合であっても、伝搬時間Ｔｒ、Ｔｆの計測順序を替えて流体の流速を計測することで、誤差をキャンセルするようにしている。
　以下、流速計測部３６による流体１０２の流速Ｖの計測方法について詳細に説明する。本実施の形態においては、流速計測部３６は、伝搬時間Ｔｆの次に伝搬時間Ｔｒを計測して求めた流体１０２の流速Ｖａと、伝搬時間Ｔｒの次に伝搬時間Ｔｆを計測して求めた流体１０２の流速Ｖｂとを使って、計測誤差をキャンセルする。
　具体的には、時間計測部３４により、最初に伝搬時間Ｔｆ１が計測される。次に制御部３５によりスイッチ部３３ａ、３３ｂが切り替えられて、続いて時間計測部３４により伝搬時間Ｔｒ１が計測される。続いて時間計測部３４により、伝搬時間Ｔｒ２が測定される。再び制御部３５によりスイッチ部３３ａ、３３ｂが切り替えられて、時間計測部３４により伝搬時間Ｔｆ２が計測される。伝搬時間Ｔｆ１、Ｔｒ１、Ｔｒ２、Ｔｆ２は流速計測部３６に入力され、時間計測部３４で流体１０２の流速Ｖが算出される。
　ここで、図２Ａに示すように流体１０２の音速がＣからそれぞれＣ＋ΔＣ１、Ｃ＋ΔＣ２、Ｃ＋ΔＣ３に変化したとすると、伝搬時間Ｔｆ１、Ｔｒ１、Ｔｒ２、Ｔｆ２は式（８）から（１１）のように示される。なお、図２Ａの横軸は時間、縦軸に水の音速を示しており、所定の期間に亘って水温が変化した場合の音速Ｃの変化を示している。
　Ｔｆ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓψ）　　　　　（８）
　Ｔｒ１＝Ｌ／（Ｃ＋ΔＣ１－Ｖｃｏｓψ）　　　　　（９）
　Ｔｒ２＝Ｌ／（Ｃ＋ΔＣ２－Ｖｃｏｓψ）　　　　　（１０）
　Ｔｆ２＝Ｌ／（Ｃ＋ΔＣ３＋Ｖｃｏｓψ）　　　　　（１１）
　ここで、流体１０２（水）において時間計測部３４で計測される伝搬時間Ｔｆ１、Ｔｒ１、Ｔｒ２、Ｔｆ２の計測間隔を一定とすると、各計測間隔は短いため各計測間隔における流体１０２の音速の変化量は一定となり、ΔＣ１＝ΔＣとすると、ΔＣ２＝２ΔＣ、ΔＣ３＝３ΔＣと表すことができる。
　これらを式（８）から（１１）に代入すると、伝搬時間Ｔｆ１、Ｔｒ１、Ｔｒ２、Ｔｆ２は式（１２）から（１５）のように示される。
　Ｔｆ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓψ）　　　　　（１２）
　Ｔｒ１＝Ｌ／（Ｃ＋ΔＣ－Ｖｃｏｓψ）　　　　　（１３）
　Ｔｒ２＝Ｌ／（Ｃ＋２ΔＣ－Ｖｃｏｓψ）　　　　　（１４）
　Ｔｆ２＝Ｌ／（Ｃ＋３ΔＣ＋Ｖｃｏｓψ）　　　　　（１５）
　伝搬時間Ｔｆ１とＴｒ１とから求めた流体１０２の流速をＶａ、伝搬時間Ｔｒ２とＴｆ１とから求めた流体１０２の流速をＶｂとし、式（１２）から（１５）より流体１０２の流速Ｖａ、Ｖｂについて解くと式（１６）、（１７）が示される。
　Ｖａ＝Ｌ／２ｃｏｓψ×（（１／Ｔｆ１）－（１／Ｔｒ１））
　　　＝（（Ｃ＋Ｖｃｏｓψ）－（Ｃ＋ΔＣ－Ｖｃｏｓψ）／２ｃｏｓψ
　　　＝Ｖ－（ΔＣ／２ｃｏｓψ）　　　　　（１６）
　Ｖｂ＝Ｌ／２ｃｏｓψ×（（１／Ｔｆ２）－（１／Ｔｒ１））
　　　＝（（Ｃ＋３ΔＣ＋Ｖｃｏｓψ）－（Ｃ＋２ΔＣ－Ｖｃｏｓψ）／２ｃｏｓψ
　　　＝Ｖ＋（ΔＣ／２ｃｏｓψ）　　　　　（１７）
　式（１６）、（１７）を用いて流体１０２の流速Ｖａと流速Ｖｂを平均して流体の流速Ｖ´を求めると、式（１８）のように示される。
　Ｖ´＝（Ｖａ＋Ｖｂ）／２
　　　＝（（Ｖ－（ΔＣ／２ｃｏｓψ））＋（Ｖ＋（ΔＣ／２ｃｏｓψ））／２
　　　＝Ｖ　　　　　（１８）
　このように、流体１０２の流速Ｖａを求めると誤差＋（ΔＣ／２ｃｏｓψ）が発生し、流体１０２の流速Ｖｂを求めると誤差－（ΔＣ／２ｃｏｓψ）が発生するため、ＶａとＶｂの平均をとることにより誤差をキャンセルすることができる。本実施の形態の流体計測装置１は、時間計測部３４で伝搬時間Ｔｆ、Ｔｒの計測順序を替えて伝搬時間を計測し、流速計測部３６で流体１０２の流速Ｖａ及び流速Ｖｂを求めて誤差をキャンセルすることで、流体の流速Ｖを精度良く求めることができる。流量計測部３７は、流速計測部３６で算出された流体１０２の流速Ｖを用いて、上記式（４）より流体１０２の流量Ｑを算出する。
　また、制御部３５でスイッチ部３３ａ、３３ｂを切り替えることにより、時間計測部３４で伝搬時間をＴｆ１、Ｔｒ１、Ｔｆ２、Ｔｒ２、・・・のように交互に計測し、流速計測部３６で伝搬時間Ｔｆ１とＴｒ１とから流体１０２の流速Ｖａを求め、伝搬時間Ｔｒ１とＴｆ２とから流体１０２の流速Ｖｂを求めてもよい。図２Ｂに示すように、伝搬時間Ｔｒ１、Ｔｆ２、・・・に対応する流体１０２の音速の変化がΔＣ、２ΔＣだとすると、伝搬時間Ｔｆ１、Ｔｒ１、Ｔｆ２は式（１９）から（２１）のように示される。
　Ｔｆ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓψ）　　　　　（１９）
　Ｔｒ１＝Ｌ／（Ｃ＋ΔＣ－Ｖｃｏｓψ）　　　　　（２０）
　Ｔｆ２＝Ｌ／（Ｃ＋２ΔＣ＋Ｖｃｏｓψ）　　　　　（２１）
　伝搬時間Ｔｆ１とＴｒ１とから求めた流体１０２の流速をＶａ、伝搬時間Ｔｒ１とＴｆ２とから求めた流体１０２の流速をＶｂとすると、式（２２）、（２３）が示される。
　Ｖａ＝Ｌ／２ｃｏｓψ×（（１／Ｔｆ１）－（１／Ｔｒ１））
　　　＝（（Ｃ＋Ｖｃｏｓψ）－（Ｃ＋ΔＣ－Ｖｃｏｓψ）／２ｃｏｓψ
　　　＝Ｖ－（ΔＣ／２ｃｏｓψ）　　　　　（２２）
　Ｖｂ＝Ｌ／２ｃｏｓψ×（（１／Ｔｆ２）－（１／Ｔｒ１））
　　　＝（（Ｃ＋２ΔＣ＋Ｖｃｏｓψ）－（Ｃ＋ΔＣ－Ｖｃｏｓψ）／２ｃｏｓψ
　　　＝Ｖ＋（ΔＣ／２ｃｏｓψ）　　　　　（２３）
　式（２２）、（２３）を用いて流体１０２の流速Ｖａと流速Ｖｂを平均して流体の流速Ｖ´を求めると、式（２４）のように示される。上記した伝搬時間Ｔｆ１、Ｔｒ１、Ｔｒ２、Ｔｆ２から流体１０２の流速Ｖを求めるよりも、流速Ｖａと流速Ｖｂの算出に共通のＴｒ１を用いることで伝搬時間の計測回数を少なくして、誤差をキャンセルすることができる。
　Ｖ´＝（Ｖａ＋Ｖｂ）／２
　　　＝（（Ｖ－（ΔＣ／２ｃｏｓψ））＋（Ｖ＋（ΔＣ／２ｃｏｓψ））／２
　　　＝Ｖ　　　　　（２４）
　さらに、伝搬時間Ｔｆ２とＴｒ２とから流体１０２の流速Ｖａを求め、伝搬時間Ｔｒ２とＴｆ３（３回目の上流側から下流側の超音波プローブに超音波が伝搬する伝搬時間）とから流体１０２の流速Ｖｂを求めることにより、流体１０２の流速Ｖを精度良く計測し続けていくことができる。
　また、伝搬時間Ｔｆの計測を複数回連続して実施すると共に、伝搬時間Ｔｒの計測を複数回連続して実施することで、Ｓ／Ｎ比を向上させ、測定精度を改善することができる。
　次に図３を参照して、複数対の超音波プローブを用いた測定方法について説明する。図３は、上記実施の形態に係る複数対の超音波送受信手段を示す図である。図３Ａは配管の断面図であり、図３Ｂは配管の側面図である。図３に示すように、流体計測装置１は、３対の超音波プローブ１０ａ１－１０ａ３、１０ｂ１－１０ｂ３によって、３つの測線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３で超音波の伝搬時間Ｔｒ、Ｔｆを計測している。超音波プローブ１０ａ１、１０ａ２、１０ａ３は配管１００内の上流側に配設され、超音波プローブ１０ｂ１、１０ｂ２、１０ｂ３は配管の下流側に配設されている。
　以下、３対の超音波プローブ１０ａ１－１０ａ３、１０ｂ１－１０ｂ３を有している流体計測装置１を用いて、流体１０２の音速が変化した場合に発生する流体１０２の流速の誤差をシミュレーションした結果を図４から図７に示す。流体１０２として水を用い、１秒間に１℃の割合で３秒間に亘って水温が変化した場合の音速Ｃの変化を模擬した。流体１０２の流速Ｖ＝０、配管１００の内径は５０ｍｍの場合をシミュレーションした。
　図４は、比較例に係る流体の計測結果を示す図である。図４Ａは時間と水の音速変化の関係を示し、図４Ｂは時間と水の流速の計測結果の関係を示し、図４Ｃは図４Ｂの計測結果をダンピング演算した場合の出力結果を示している。図４Ｂにおいて、水の流速の計測は、測線Ｌ１、測線Ｌ２、測線Ｌ３、測線Ｌ１、測線Ｌ２、測線Ｌ３、・・・の順番で行った。各線において最初に伝搬時間Ｔｆを計測し、次にＴｒを計測して流体１０２の流速Ｖａを使って流体１０２の流速Ｖを求め、流速Ｖｂは使わなかった。各測線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の重み付けは１／３で均等とした。
　図４Ｃにおいて、ダンピング演算は、図４Ｂの測定結果に対して時定数５秒の演算をした。ここで、ダンピング演算は一次遅れ演算であり、時定数５秒の一次ローパスフィルタを通過した場合と同じ効果を得ることができる。流体１０２の流速Ｖの計測結果における高周波成分を除去して、簡易な処理で計測結果を安定化させる効果がある。この場合、流体計測装置１は、ダンピング処理を行う除去処理部（不図示）を設けるようにする。なお、図４Ａにおいて横軸は時間、縦軸は水の音速Ｃ、図４Ｂにおいて横軸は時間、縦軸は水の流速Ｖの計測結果、図４Ｃにおいて横軸は時間、縦軸はダンピング処理した水の流速Ｖの計測結果を示している。
　図４Ａに示すように、水温が変化した０秒から３秒の間に水の音速Ｃが上昇しており、３秒以降は水の音速Ｃが一定になっている。図４Ｂに示すように、水温が変化した０秒から３秒の間に、真値の水の流速Ｖ＝０を外れた誤差が、絶対値で最大０．３５ｍ／ｓ生じている。図４Ｃに示すように、図４Ｂの計測結果をダンピング演算しても誤差が抑制されず、誤差が絶対値で最大０．１５ｍ／ｓ生じている。
　図５は、上記実施の形態に係る流体の計測結果を示す図である。図５Ａは時間と水の音速変化の関係を示し、図５Ｂは時間と水の流速の計測結果の関係を示し、図５Ｃは図５Ｂの計測結果をダンピング演算した場合の出力結果を示している。図５Ｂにおいて、水の流速の計測は、測線Ｌ１、測線Ｌ２、測線Ｌ３、測線Ｌ１、測線Ｌ２、測線Ｌ３、・・・の順番で行った。各測線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３において、伝搬時間Ｔｆ、Ｔｒの順序を替えて計測して、各測線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３で順番に流体１０２の流速Ｖａと流速Ｖｂとを交互に計測した。各超音波プローブの対２１、超音波プローブの対２２、超音波プローブの対２３の重み付けは１／３で均等とした。図５Ｃにおいては、図５Ｂの測定結果に対して時定数５秒のダンピング演算をした。図５Ａから図５Ｃの縦軸及び横軸の値は、図４Ａから図４Ｃと同様である。
　図５Ｂに示すように、誤差が、図４Ｂと比較すると、絶対値で最大０．３５ｍ／ｓから０．１２ｍ／ｓに抑制されている。図５Ｃに示すように、図５Ｂの計測結果をダンピング演算した場合、誤差が、図５Ｃと比較すると、絶対値で最大０．１５ｍ／ｓから０．０１ｍ／ｓに大幅に抑制されている。このように、複数対の超音波プローブ１０ａ１－１０ａ３、１０ｂ１－１０ｂ３を用いて流速Ｖａ及び流速Ｖｂを計測することにより誤差をキャンセルできるため、計測誤差を抑制することができる。
　次に、図６を参照して測線の重み付けが均等でない場合の測定方法について説明する。図６は、上記実施の形態に係る流体の計測結果を示す図である。図６Ａは時間と水の音速変化の関係を示し、図６Ｂは時間と水の流速の計測結果の関係を示し、図６Ｃは図６Ｂの計測結果をダンピング演算した場合の出力結果を示している。測線Ｌ１と測線Ｌ３の重み付けを０．４とし、測線Ｌ２の重み付けを０．２とし、３測線を合計すると１になるようにしている。図６Ｂにおいて、水の流速の計測は、測線Ｌ１、測線Ｌ２、測線Ｌ３、測線Ｌ１、測線Ｌ２、測線Ｌ３、・・・の順番で行った。各測線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３において、伝搬時間Ｔｆ、Ｔｒを順序を替えて計測して、各測線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３で順番に流体１０２の流速Ｖａと流速Ｖｂとを交互に計測した。図６Ｃにおいては、図６Ｂの測定結果に対して時定数５秒のダンピング演算をした。図６Ａから図６Ｃの縦軸及び横軸の値は、図４Ａから図４Ｃと同様である。なお、各測線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の重み付けにおいては、流速が変化した際に流速分布が変化することが知られているが、その影響をキャンセルするように予め実験的、経験的又は理論的に求められた値が用いられる。測線Ｌ１と測線Ｌ３の重み付けを０．４とし、測線Ｌ２の重み付けを０．２とするのは、その一例であり、一般に測線の配置が変化すると重み付けも変化する。
　図６Ｂに示すように、誤差が、図５Ｂと比較すると絶対値で最大０．１２ｍ／ｓから０．２１ｍ／ｓに増加した。図６Ｃに示すように、図６Ｂの計測結果をダンピング演算した場合、誤差が、図５Ｃと比較すると絶対値で最大０．０１ｍ／ｓから０．０２ｍ／ｓに僅かに増加した。このように、各測線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３が重み付けされる場合、図４の比較例と比べると、誤差は改善されるものの、図５と比較すると、僅かに誤差が大きくなっている。このように重み付けが均等でない場合には、重みに応じて各測線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３に流速Ｖａ及び流速Ｖｂを割り付けることが有効である。
　次に、図７を参照して測線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の重み付けに応じて各測線に流速Ｖａ及び流速Ｖｂを割り付けた場合について説明する。図７は、上記実施の形態に係る流体の計測結果を示す図である。図７Ａは時間と水の音速変化の関係を示し、図７Ｂは時間と水の流速の計測結果の関係を示し、図７Ｃは図７Ｂの計測結果をダンピング演算した場合の出力結果を示している。測線Ｌ１と測線Ｌ３の重み付けを０．４とし、測線Ｌ２の重み付けを０．２とし、３測線を合計すると１になるようにしている。図７Ｂにおいて、水の流速の計測は、測線Ｌ１、測線Ｌ２、測線Ｌ３、測線Ｌ１、測線Ｌ２、測線Ｌ３、・・・の順番で行った。重み付けが大きい測線Ｌ１で計測する流体１０２の流速をＶａに定め、同じく重み付けが大きい測線Ｌ３で計測する流体１０２の流速を測線Ｌ１と逆のＶｂに定め、一番重み付けの小さい測線Ｌ２で計測する流体１０２の流速を計測の度に流速Ｖａと流速Ｖｂとを交互に切り替えた。すなわち、測線Ｌ１（Ｖａ）、測線Ｌ２（Ｖａ）、測線Ｌ３（Ｖｂ）、測線Ｌ１（Ｖａ）、測線Ｌ２（Ｖｂ）、測線Ｌ３（Ｖｂ）、測線Ｌ１（Ｖａ）、測線Ｌ２（Ｖａ）、・・・の順番で計測した。図７Ｃにおいては、図７Ｂの測定結果に対して時定数５秒のダンピング演算をした。図７Ａから図７Ｃの縦軸及び横軸の値は、図４Ａから図４Ｃと同様である。
　図７Ｂに示すように、誤差が、図６Ｂと比較すると絶対値で最大０．２１ｍ／ｓから０．１４ｍ／ｓに抑制された。図７Ｃに示すように、図６Ｂの計測結果をダンピング演算した場合、誤差が、図６Ｃと比較すると絶対値で最大０．０２ｍ／ｓから０．０１ｍ／ｓに抑制された。このように、各測線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３が重み付けされる場合は、各測線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３で計測される流体１０２の流速Ｖａ及びＶｂを、重み付けに応じて割り付けることで、計測誤差を抑制することができる。
　なお、重み付けに応じて測線を割り付ける場合には、最も重み付けが大きい超音波プローブの対で計測する流速を流速Ｖａ及び流速Ｖｂのいずれか一方に設定し、重み付けの大きさが２番目以降の対に対しては、計測する流速を流速Ｖａ及び流速Ｖｂのいずれか他方に２連続で設定した後、流速Ｖａ及び流速Ｖｂのいずれか一方に２連続で設定する設定順序を繰り返してもよい。すなわち、一番重み付けの大きい対で計測する流速をＶａかＶｂのどちらかに定めて、二番目と三番目の重み付けの大きい対で計測する流速を一番重み付けが大きい対で定めた流速ＶａかＶｂと違う方のＶａかＶｂに定めて、四番目と五番目に重み付けの大きい対で計測する流速を一番重み付けが大きい対で定めた流速ＶａかＶｂと同じＶａかＶｂに定めて、六番目と七番目に重み付けの大きい対で計測する流速を一番重み付けが大きい対で定めた流速ＶａかＶｂと違う方のＶａかＶｂに定めて、という順に定めると、誤差の抑制効果を高めることができる。
　また、超音波プローブの各対で計測する流速を、重み付けの順番で流速Ｖａと流速Ｖｂとを交互に設定してもよい。すなわち、一番重み付けの大きい対で計測する流速を流速ＶａかＶｂのどちらかに定めて、二番目に重み付けの大きい対で計測する流速を一番重み付けが大きい対で定めた流速ＶａかＶｂと違う方のＶａかＶｂに定めて、三番目に重み付けの大きい対で計測する流速を一番重み付けが大きい対で定めた流速ＶａかＶｂと同じＶａかＶｂに定めて、四番目に重み付けの大きい対で計測する流速を一番重み付けが大きい対で定めた流速ＶａかＶｂと違う方のＶａかＶｂに定めて、という順に定めても高い誤差の抑制効果を得ることができる。また、最も重み付けが小さい超音波プローブの対で計測する流速に流速Ｖａ及び流速Ｖｂとを交互に設定してもよい。これにより、より高い誤差の抑制効果が得られる。
　以上のように、本実施の形態の流体計測装置１は、流体１０２における音速Ｃが変化することにより流体１０２の流速Ｖの計測結果に誤差が生じる場合であっても、伝搬時間Ｔｆ、Ｔｒの計測順序を替えて流速Ｖａと流速Ｖｂを計測することで、流速Ｖａに生じる誤差と流速Ｖｂに生じる誤差の正負を逆にすることができる。よって、流速Ｖａと流速Ｖｂを用いることで誤差をキャンセルできるため、超音波の伝搬時間Ｔｆ、Ｔｒを複数回測定してＳ／Ｎ比を向上させて、流体１０２の流速Ｖを精度良く計測することができる。
　なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている大きさや形状などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。
　下記に上記実施の形態における特徴点を整理する。
　本発明の流体計測装置は、配管内を流れる流体へ超音波を送受信する少なくとも一対の超音波送受信手段と、前記超音波送受信手段により送受信された超音波の伝搬時間を計測する時間計測部と、前記時間計測部で計測された超音波の伝搬時間から流体の流速を求める流速計測部と、を備え、前記一対の超音波送受信手段の一方が前記配管の上流、他方が前記配管の下流に配設され、前記時間計測部が、前記上流側の超音波送受信手段から前記下流側の超音波送受信手段に超音波が伝搬する第１の伝搬時間及び前記下流側の超音波送受信手段から前記上流側の超音波送受信手段に超音波が伝搬する第２の伝搬時間を計測し、前記流速計測部が、第１の伝搬時間の次に第２の伝搬時間を計測して求めた流速Ｖａと、第２の伝搬時間の次に第１の伝搬時間を計測して求めた流速Ｖｂとを使って誤差をキャンセルするように流体の流速を求めることを特徴とする。
　この構成により、流体における音速が変化することにより流体の流速の計測結果に誤差が生じる場合であっても、伝搬時間の計測順序を替えて流速Ｖａと流速Ｖｂを計測することで、流速Ｖａに生じる誤差と流速Ｖｂに生じる誤差の正負を逆にすることができる。よって、流速Ｖａと流速Ｖｂを用いることで誤差をキャンセルできるため、超音波の伝搬時間を複数回測定してＳ／Ｎ比を向上させて、流体の流速を精度良く計測することができる。
　本発明の流体計測装置においては、前記時間計測部が第１の伝搬時間と第２の伝搬時間とを交互に計測し、前記流速計測部が連続する第１の伝搬時間と第２の伝搬時間から前記流速Ｖａを求め、該第２の伝搬時間と後続する第１の伝搬時間から前記流速Ｖｂを求めてもよい。この構成により、超音波の伝搬時間の計測回数を少なくすることができる。
　本発明の流体計測装置においては、前記時間計測部が、前記上流側の超音波送受信手段から前記下流側の超音波送受信手段に超音波が伝搬する伝搬時間の計測を複数回実施して第１の伝搬時間を求め、前記下流側の超音波送受信手段から前記上流側の超音波送受信手段に超音波が伝搬する伝搬時間の計測を複数回実施して第２の伝搬時間を求めてもよい。この構成により、Ｓ／Ｎ比を向上させ、さらに計測精度を向上させることができる。
　本発明の流体計測装置においては、前記流速計測部が、複数対の超音波送受信手段を有し、各対において第１の伝搬時間及び第２の伝搬時間を計測して、各対で順番に前記流速Ｖａと前記流速Ｖｂとを交互に計測してもよい。この構成により、複数対の超音波送受信手段で流速Ｖａと流速Ｖｂを計測することで、誤差をキャンセルすることができる。
　本発明の流体計測装置においては、前記複数対の超音波送受信手段の各対を重み付けし、重み付けの大きさに応じて各対で計測する流速を前記流速Ｖａ及び前記流速Ｖｂのいずれか一方に設定して重み付け加算により流体の流速を求めてもよい。この構成により、各対の超音波送受信手段を重み付けして流体の流速を計測することで、計測精度を向上させることができる。
　本発明の流体計測装置においては、最も重み付けが大きい前記超音波送受信手段の対で計測する流速を前記流速Ｖａ及び前記流速Ｖｂのいずれか一方に設定し、重み付けの大きさが２番目以降の対に対しては、計測する流速を前記流速Ｖａ及び前記流速Ｖｂのいずれか他方に２連続で設定した後に前記流速Ｖａ及び前記流速Ｖｂのいずれか一方に２連続で設定する設定順序を繰り返してもよい。この構成により、各対の超音波送受信手段で計測される流体の流速を重み付けの順番に、所定の設定順序で設定することで、誤差の抑制効果を高めることができる。
　本発明の流体計測装置においては、前記超音波送受信手段の各対で計測する流速を、重み付けの順番で前記流速Ｖａと前記流速Ｖｂとを交互に設定してもよい。この構成により、各対の超音波送受信手段で計測される流体の流速を重み付けの順番に、所定の設定順序で設定することで、誤差の抑制効果を高めることができる。
　本発明の流体計測装置においては、最も重み付けが小さい前記超音波送受信手段の対で計測する流速に流速Ｖａ及び流速Ｖｂとを交互に設定してもよい。この構成により、誤差の抑制効果を高めることができる。
　本発明の流体計測装置においては、前記流速計測部で求められた流体の流速から高周波成分を除去する除去処理部を有することが好ましい。この構成により、計測結果を安定化させ、流体の流速の計測結果における誤差を小さくすることができる。
　本発明の流体計測装置においては、ダンピング処理により高周波成分を除去することが好ましい。この構成により、簡易な処理で計測結果を安定化させ、流体の流速の計測結果における誤差を小さくすることができる。
　本出願は、２０１６年５月２６日出願の特願２０１６－１０５０２９に基づく。この内容は、全てここに含めておく。

Claims (10)

  1. 　配管内を流れる流体へ超音波を送受信する少なくとも一対の超音波送受信手段と、
    　前記超音波送受信手段により送受信された超音波の伝搬時間を計測する時間計測部と、
    　前記時間計測部で計測された超音波の伝搬時間から流体の流速を求める流速計測部と、を備え、
    　前記一対の超音波送受信手段の一方が前記配管の上流、他方が前記配管の下流に配設され、
    　前記時間計測部が、前記上流側の超音波送受信手段から前記下流側の超音波送受信手段に超音波が伝搬する第１の伝搬時間及び前記下流側の超音波送受信手段から前記上流側の超音波送受信手段に超音波が伝搬する第２の伝搬時間を計測し、
    　前記流速計測部が、第１の伝搬時間の次に第２の伝搬時間を計測して求めた流速Ｖａと、第２の伝搬時間の次に第１の伝搬時間を計測して求めた流速Ｖｂとを使って誤差をキャンセルするように流体の流速を求めることを特徴とする流体計測装置。
  2. 　前記時間計測部が第１の伝搬時間と第２の伝搬時間とを交互に計測し、前記流速計測部が連続する第１の伝搬時間と第２の伝搬時間から前記流速Ｖａを求め、該第２の伝搬時間と後続する第１の伝搬時間から前記流速Ｖｂを求めることを特徴とする請求項１に記載の流体計測装置。
  3. 　前記時間計測部が、前記上流側の超音波送受信手段から前記下流側の超音波送受信手段に超音波が伝搬する伝搬時間の計測を複数回実施して第１の伝搬時間を求め、前記下流側の超音波送受信手段から前記上流側の超音波送受信手段に超音波が伝搬する伝搬時間の計測を複数回実施して第２の伝搬時間を求めることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の流体計測装置。
  4. 　前記流速計測部が、複数対の超音波送受信手段を有し、各対において第１の伝搬時間及び第２の伝搬時間を計測して、各対で順番に前記流速Ｖａと前記流速Ｖｂとを交互に計測することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の流体計測装置。
  5. 　前記複数対の超音波送受信手段の各対を重み付けし、重み付けの大きさに応じて各対で計測する流速を前記流速Ｖａ及び前記流速Ｖｂのいずれか一方に設定して重み付け加算により流体の流速を求めることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の流体計測装置。
  6. 　最も重み付けが大きい前記超音波送受信手段の対で計測する流速を前記流速Ｖａ及び前記流速Ｖｂのいずれか一方に設定し、重み付けの大きさが２番目以降の対に対しては、計測する流速を前記流速Ｖａ及び前記流速Ｖｂのいずれか他方に２連続で設定した後に前記流速Ｖａ及び前記流速Ｖｂのいずれか一方に２連続で設定する設定順序を繰り返すことを特徴とする請求項５に記載の流体計測装置。
  7. 　前記超音波送受信手段の各対で計測する流速を、重み付けの順番で前記流速Ｖａと前記流速Ｖｂとを交互に設定することを特徴とする請求項５に記載の流体計測装置。
  8. 　最も重み付けが小さい前記超音波送受信手段の対で計測する流速に前記流速Ｖａ及び前記流速Ｖｂとを交互に設定することを特徴とする請求項５に記載の流体計測装置。
  9. 　前記流速計測部で求められた流体の流速から高周波成分を除去する除去処理部を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の流体計測装置。
  10. 　ダンピング処理により高周波成分を除去することを特徴とする請求項９に記載の流体計測装置。
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