診断方法および超音波測定装置
【課題】超音波測定装置の測定結果に生じた異常を診断する際の演算負荷を軽減する。
【解決手段】管路判断部８５は、同期加算部８４による同期加算の演算結果に基づいて測定結果の異常を診断する。これにより、例えば相互相関と減衰率といった複数の量を求める必要がなく、さらには、フーリエ変換よりも演算負荷の軽減された手法により測定装置の測定結果の異常の原因の診断を実現することができる。
【解決手段】管路判断部８５は、同期加算部８４による同期加算の演算結果に基づいて測定結果の異常を診断する。これにより、例えば相互相関と減衰率といった複数の量を求める必要がなく、さらには、フーリエ変換よりも演算負荷の軽減された手法により測定装置の測定結果の異常の原因の診断を実現することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を利用して管路内の流体の状態を測定する超音波測定装置に関し、特に超音波測定装置の測定結果に生じた異常を診断する診断方法および超音波測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波測定装置は、管路内を流れる流体に超音波センサによって超音波を伝播させ、その伝播速度の変化に基づいて流体の流速や流量などを測定する測定装置である。このような超音波測定装置において、例えば測定結果が得られないなど、その測定結果に異常が生じる場合がある。測定結果に異常が生じる原因としては、超音波センサ自身の故障、流路内での気泡の大量発生、流路内への異物の混入などが考えられ、これらの原因を識別することは、適切な対策を採る上で重要である。
【０００３】
従来より、超音波測定装置の測定結果に異常が生じた原因を識別する方法について、様々な提案がなされている。
例えば、特許文献１においては、流路の上流から下流に向けて伝搬する超音波を受診した上流側信号と下流から上流に向けて伝搬する超音波を受診した下流側信号との相互相関と、受信超音波の減衰度とをそれぞれ演算し、この演算によって得られた相互相関の最大値および減衰度とに基づいて、配管の状態を診断する方法が提案されている。この方法では、その相関の最大値および減衰度の大小関係に基づいて、超音波診断装置が正常に動作しなくなった原因が、配管への付着物の堆積、および、配管内への気泡の混入のうちのいずれであるかを診断している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４２７３５１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の方法では、超音波信号の相互相関と減衰量という２つの値を把握しなければならず、さらには、その相互相関を求めるのにフーリエ変換等の複雑な演算を行っていた。その結果、異常の原因を診断するための演算負荷が高いものとなっていた。
【０００６】
そこで、本願発明は、超音波測定装置の測定結果に生じた異常を診断する際の演算負荷を軽減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述したような課題を解決するために、本発明に係る診断方法は、流体が流れる配管の上流側に配置された超音波センサと下流側に配置された超音波センサとの間で超音波の送受信を行って流体の状態を測定した測定結果に生じた異常を診断する診断方法であって、１の超音波センサから所定の超音波信号を複数回送信させる送信ステップと、他の超音波センサで受信した所定の超音波信号の波形を同期加算する同期加算ステップと、この同期加算ステップによる演算結果に基づいて測定結果に生じた異常を診断する診断ステップとを有することを特徴とする。
【０００８】
上記診断方法において、上記診断ステップは、他の超音波センサで受信した所定の超音波信号のＳＮ比が同期加算することによって改善されたか否かに基づいて配管内に生じている異常を診断するようにしてもよい。
【０００９】
また、上記診断方法において、送信ステップに先立って、超音波センサの異常の診断するステップをさらに備えるようにしてもよい。
【００１０】
また、上記診断方法において、超音波センサは、配管の上流側に設けられた第１の超音波センサと、配管の下流側に設けられた第２の超音波センサとから構成され、第１の超音波センサおよび第２の超音波センサは、１の超音波センサまたは他の超音波センサとして機能するようにしてもよい。
【００１１】
また、上記診断方法において、超音波センサは、配管の上流側に設けられ、超音波を送信する第１の超音波センサと、配管の下流側に設けられ、超音波を送信する第２の超音波センサと、配管の流れ方向における第１の超音波センサと第２の超音波センサとの間に設けられ、超音波を受信する第３のセンサとから構成され、第１の超音波センサおよび第２の超音波センサは、１の超音波センサとして機能し、第３の超音波センサは、他の超音波センサとして機能するようにしてもよい。
【００１２】
また、本発明に係る測定装置は、流体が流れる配管の上流側に配置された超音波センサと下流側に配置された超音波センサとの間で超音波の送受信を行って、流体の状態を測定する超音波測定装置であって、１の超音波センサから所定の超音波信号を複数回送信させる送信手段と、他の超音波センサで受信した所定の超音波信号の波形を同期加算する同期加算手段と、この同期加算手段による演算結果に基づいて測定結果に生じた異常を診断する診断手段とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、同期加算の演算結果に基づいて測定結果の異常を診断するので、例えば、相互相関と減衰率といった複数の量を求める必要がなく、さらには、フーリエ変換よりも演算負荷の軽減された手法により測定装置の測定結果の異常の原因の診断を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係る測定装置の構成を模式的に示す図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態に係る測定装置における超音波センサの構成を模式的に示す断面図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態に係る測定装置における超音波センサの圧電素子の構成を模式的に示す斜視図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態に係る測定装置における測定結果の異常診断動作を説明するためのフローチャートである。
【図５】図５は、本発明の実施の形態に係る測定装置における超音波センサの故障の診断方法を説明するためのフローチャートである。
【図６】図６は、本発明の実施の形態に係る測定装置における超音波センサの故障の診断方法を説明するための模式図である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態に係る測定装置における超音波センサの故障の診断方法を説明するための模式図である。
【図８】図８は、本発明の実施の形態に係る測定装置における超音波センサの故障の診断方法を説明するための模式図である。
【図９】図９は、本発明の実施の形態に係る測定装置における超音波センサの故障の診断方法を説明するための模式図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施の形態に係る測定装置において同期加算を行う前の超音波信号の波形を示す図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施の形態に係る測定装置において同期加算を行った超音波信号の波形を示す図である。
【図１２】図１２は、本発明の実施の形態に係る測定装置の変形例を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１６】
＜超音波測定装置の構成＞
図１に示すように、本実施の形態に係る超音波測定装置は、測定対象となる流体が内部を流通する管路１に配置された第１の超音波センサ１０ａおよび第２の超音波センサ１０ｂと、これら超音波センサ１０ａ、１０ｂの間で入出力される信号を切り替える切替部４と、この切替部４を介して１の超音波センサ１０ａ（１０ｂ）に信号を入力して超音波信号を送出させる送信部５と、切替部４を介して他の超音波センサ１０ｂ（１０ａ）によって受信した超音波信号に応じた信号を受信する受信部６と、各種情報を出力する出力部７と、測定装置全体の動作を制御する制御部８とを備えている。
【００１７】
第１の超音波センサ１０ａおよび第２の超音波センサ１０ｂは、第１の超音波センサ１０ａが第２の超音波センサ１０ｂよりも上流側に位置し、かつ、管路１の中心軸を挟んだ管路１の管壁に配設されている。第１の超音波センサ１０ａと第２の超音波センサ１０ｂとは、互いの送受信面が対向するように、管路１の軸線に対して斜めに、すなわち、軸線に対して９０°未満の角度をなして対向配置されている。
【００１８】
切替部４は、制御部８の指示に基づいて、第１の超音波センサ１０ａおよび第２の超音波センサ１０ｂと、送信部５および受信部６との接続を切り替えるスイッチング回路である。
【００１９】
送信部５は、制御部８からの制御信号に基づいて、切替部４を介して第１の超音波センサ１０ａまたは第２の超音波センサ１０ｂに電圧を印加して、これらの超音波センサ１０ａ、１０ｂのいずれか一方から、例えばパルス状の所定の超音波信号を送出させる駆動回路である。
【００２０】
受信部６は、切替部４を介して第１の超音波センサ１０ａまたは第２の超音波センサ１０ｂにより受信された超音波信号に応じた電圧信号を受信し、制御部８に出力する受信回路である。
【００２１】
出力部７は、例えばＬＣＤ（Liquid Crystal Display）や有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイなど、制御部８の指示に基づいて、各種情報を表示するインターフェース装置から構成される。
【００２２】
制御部８は、切替部４、送信部５、受信部６および出力部７との間で各種信号をやりとりすることにより、測定装置全体の動作を制御する電子回路から構成される。このような制御部８は、測定部８１、異常検出部８２、超音波センサ診断部８３、同期加算部８４、管路診断部８５および記憶部８６を備えている。
【００２３】
測定部８１は、受信部６から入力される信号に基づいて、管路１内の流体の状態、例えば流速や流量などを演算する機能部である。具体的には、基準信号を送信部５に送出し、切替部４によりその基準信号を第１の超音波センサ１０ａおよび第２の超音波センサ１０ｂに順次入力させて超音波信号を発信させる。これにより、第１の超音波センサ１０ａおよび第２の超音波センサ１０ｂが順次受信した超音波信号を切替部４および受信部６を介して受信し、その超音波信号の到達時間等に基づいて、管路１内の流体の状態を測定する。この測定結果は、出力部７に出力されたり、記憶部８６に記憶されたりする。
【００２４】
異常検出部８２は、例えば送信部５に対しては１の超音波センサ１０ａ（または１０ｂ）から超音波信号を出力させる信号を出力しているにも関わらず、測定部８１から測定結果が得られないなど、測定部８１による測定結果に異常が発生しているか否かを検出する機能部である。
【００２５】
超音波センサ診断部８３は、異常検出部８２により測定結果に異常が発生していることが検出されると、第１の超音波センサ１０ａおよび第２の超音波センサ１０ｂの何れかに異常が発生しているか否かを診断する機能部である。この超音波センサ診断部８３による第１の超音波センサ１０ａおよび第２の超音波センサ１０ｂの診断動作については後述する。
【００２６】
同期加算部８４は、超音波センサ診断部８３により、第１の超音波センサ１０ａおよび第２の超音波センサ１０ｂに異常が発生していないと診断された場合に、第１の超音波センサ１０ａおよび第２の超音波センサ１０ｂに所定の超音波信号の送受信を複数回数行わせるとともに、これらの超音波信号を受信した信号波形を同期加算する、同期制御および演算機能部である。
【００２７】
管路診断部８５は、同期加算部８４の演算結果に基づいて、管路１内部の異常を診断する機能部である。この管路診断部８５による診断動作については後述する。
【００２８】
記憶部８６は、測定部８１から出力される基準信号、測定部８１による測定結果、制御部８の動作プログラムなど、測定装置の動作に必要な各種情報を記憶する機能部である。
【００２９】
第１の超音波センサ１０ａおよび第２の超音波センサ１０ｂの構成例を図２に示す。
超音波センサ１０は、ケース１１と、円盤状の圧電素子１２とを備え、この圧電素子１２はケース１１の内部に接着剤１３等により固定されている。
【００３０】
ケース１１は、ステンレス等の導電性を有する材料から構成され、一端が開口する円筒状の内部空間を有している。このようなケース１１の開口部１１ａと対向する底部１１ｂの内壁面には、圧電素子１２が接着剤１３によって固定される。
【００３１】
圧電素子１２は、２枚の電極１２１ａ，１２１ｂで挟まれた円盤状の圧電体板１２１を備えている。この圧電体板１２１のケース１１の底部と対向する下面には、ほぼ全面に亘って負極１２１ｂが形成されている。一方、圧電体板１２１の上面には、図３に示すように、一部を除いた部分に正極１２１ａが形成され、その一部には、下面の負極１２１ｂと電気的に接続された折り返し電極１２１ｂ’が形成されている。すなわち、下面のほぼ全面に亘って形成された負極１２１ｂは、圧電体板１２１の側面を経てその上面まで延在して形成されている。この上面において、折り返し電極１２１ｂ’は、正極１２１ａと所定間隔離間しており、正極１２１ａとは絶縁されている。上面の正極１２１ａには、第１のリード１４および第２のリード１５が互いに離間した位置に接続されている。一方、上面の負極１２１ｂには、第３のリード１６が接続されている。本実施の形態においては、折り返し電極１２１ｂ’を備えることにより、圧電素子１２の上面のみから正極１２１ａおよび負極１２１ｂにリード線を接続することが可能となる。なお、図１等においては、説明のために正極１２１ａ，負極１２１ｂおよび折り返し電極１２１ｂ’の厚みを大きく記載しているが、実際それらの厚さはごく小さなものとなっている。
【００３２】
接着剤１３は、エポキシ樹脂など、導電性を有する公知の接着剤から構成され、ケース１１の底部１１ｂに圧電素子１２を固定するとともに、ケース１１と圧電素子１２の負極１２１ｂとを電気的に接続する。なお、ケース１１と圧電素子１２とを固定する方法はこれに限定されず、ケース１１と圧電素子１２とが電気的に接続された状態でケース１１に圧電素子１２が固定されるのであれば、各種方法を適宜自由に適用することができる。例えば、導電性を有さない接着剤により、圧電素子１２をケース１１に固定するようにしてもよい。この場合には、圧電素子１２の負極２１ｂとケース１１の底部１１ｂとが点接触する程度に接着剤１３の層を薄くすればよい。また、ロウ材により圧電素子１２をケース１１に固定するようにしてもよい。以下においては、導電性を有する接着剤１３を用いた場合を例に説明を行う。
【００３３】
＜測定装置の異常診断動作＞
次に、図４を参照して、本実施の形態に係る測定装置における測定結果の異常診断動作について説明する。
【００３４】
制御部８の測定部８１が管路１内部の流体の状態を測定している状態において、異常検出部８２は、その測定結果に異常が発生しているか否かを監視している（ステップＳ１）。このような状態において、例えば、送信部５に対しては１の超音波センサ１０ａ（または１０ｂ）から超音波信号を出力させる信号を出力しているにも関わらず、測定部８１から得られる測定結果が所定の値に至らず、測定結果が得られないと見なされるなど、測定結果に異常が発生したことが検出されると（ステップＳ１：ＹＥＳ）、異常検出部８２は、その異常検出時に受信部６が受信した超音波信号の最大振幅を測定する（ステップＳ２）。この測定値は、最大振幅αとして、記憶部８６に記憶される。
【００３５】
（超音波センサの診断）
最大振幅αが記憶部８６に記憶されると、超音波センサ診断部８３は、まず、第１の超音波センサ１０ａおよび第２の超音波センサ１０ｂに異常が発生しているか否かを診断する（ステップＳ３）。この診断動作の詳細について、図５〜図９を参照して説明する。
【００３６】
第１の超音波センサ１０ａおよび第２の超音波センサ１０ｂは、図６に示すように、圧電素子１２の正極１２１ａに接続された第１のリード１４または第２のリード１５の何れか１つ（以下、簡単のため、第１のリード１４を例に説明する。）を正極、ケース１１を負極として切替部４に接続されている。また、第２のリード１５および第３のリード１６についても、切替部４に接続されている。このような状態において、第１の超音波センサ１０ａおよび第２の超音波センサ１０ｂにより超音波を発信させる場合、第１のリード１４とケース１１との間に電圧を印加する。ケース１１は導電性を有する材料から構成されており、ケース１１の底部の内壁面と圧電素子１２の下面、すなわち負極１２１ｂとを接着する接着剤１３も、導電性を有する材料から構成されているので、圧電体板１２１の正極１２１ａと負極１２１ｂとの間に電圧が印加されると、圧電体板１２１が振動し、ケース１１の底部から超音波が発信される。一方、超音波センサにより超音波を受信する場合には、ケース１１の底部に超音波が到達すると、この超音波により圧力を受ける圧電体板１２１により超音波の振動が電圧の変化に変換される。この電圧は、正極１２１ａに接続された第１のリード１４、および、負極１２１ｂに接着剤１３を介して接続されたケース１１を介して、切替部４および受信部６を介して制御部８の測定部８１により検出されることとなる。
【００３７】
このように第１の超音波センサ１０ａおよび第２の超音波センサ１０ｂを動作させている状態において、第１の超音波センサ１０ａおよび第２の超音波センサ１０ｂに異常が発生しているか否か診断する旨の指示を受信すると（ステップＳ１１）、超音波センサ診断部８３は、図７に示すように、ケース１１と第３のリード１６との間の電気的導通を確認する（ステップＳ１２）。上述したように、ケース１１は、接着剤１３を介して圧電体板１２１の下面に形成された負極１２１ｂに接続されている。また、第３のリード１６は、折り返し電極の構造により、圧電体板１２１の上面に形成された折り返し電極１２１ｂ’に接続されている。したがって、ケース１１と第３のリード１６との間の電気的導通を確認することにより、それらの間、すなわち、ケース１１、接着剤１３、負極１２１ｂおよび第３のリード１６の間に異常が発生したか否かを確認することができる。
【００３８】
ケース１１と第３のリード１６との間の電気的導通が確認できなかった場合には（ステップＳ１２：ＮＯ）、それらの間に異常が発生していると判断する（ステップＳ１３）。この場合の異常としては、ケース１１と圧電体板１２１との接着不良、第３のリード１６と負極１２１ｂとの接続不良、第３のリード１６の断線などが挙げられる。この場合は、超音波センサ自体の交換を検討することとなる。
【００３９】
一方、ケース１１と第３のリード１６との間の電気的導通が確認できた場合には（ステップＳ１２：ＹＥＳ）、それらの間には異常が無いと判断する（ステップＳ４）。次いで、図８に示すように、第１のリード１４と第２のリード１５との間の電気的導通を確認する（ステップＳ１５）。上述したように、第１のリード１４および第２のリード１５は、圧電体板１２１上面の正極１２１ａに接続されている。したがって、第１のリード１４と第２のリード１５との間の電気的導通を確認することにより、それらの間、すなわち、第１のリード１４、正極１２１ａ、第２のリード１５の間に異常が発生したか否かを確認することができる。
【００４０】
第１のリード１４と第２のリード１５との間の電気的導通が確認できた場合には（ステップＳ１５：ＹＥＳ）、それらの間には異常が無いと判断する（ステップＳ１６）。これにより、ケース１１と第３のリード１６との間、および、第１のリード１４と第２のリード１５との間に異常が無いことが確認されたので、超音波センサではなく管路１に異常が発生したと考えることができる。
【００４１】
一方、第１のリード１４と第２のリード１５との間の電気的導通が確認できなかった場合（ステップＳ１５：ＮＯ）、それらの間に異常が発生していると判断することができる。そこで、第１のリード１４と第２のリード１５の何れに異常が発生しているかを判断するために、図９に示すように、第２のリード１５を正極、ケース１１を負極として、これらの間に電源回路に接続して電圧を印加し、超音波センサが正常に動作するか否かを確認する（ステップＳ１７）。上述したように、ケース１１は、導電性の接着剤１３を介して圧電体板１２１の下面に形成された負極１２１ｂに接続されている。また、第２のリード１５は、圧電体板１２１の上面に形成された正極１２１ａに接続されている。したがって、第２のリード１５やその接点に異常が無い場合には、ケース１１と第２のリード１５との間に電圧を印加すると、圧電体板１２１の正極１２１ａと負極１２１ｂとの間に電圧が印加されるので、圧電体板１２１が振動してケース１１の底部から超音波が発信されることとなる。よって、正極として第１のリード１４と第２のリード１５とをそれぞれ選択した場合に第１の超音波センサ１０ａおよび第２の超音波センサ１０ｂから超音波が出力されるか否かにより、第１のリード１４と第２のリード１５の何れに異常が発生しているかを判断することができる。
【００４２】
第１の超音波センサ１０ａおよび第２の超音波センサ１０ｂから超音波が出力された場合には（ステップＳ１７：ＹＥＳ）、第２のリード１５やその接点には異常が発生していない、すなわち、第１のリードやその接点に異常が発生していると判断する（ステップＳ１８）。この異常としては、第１のリード１４の断線、第１のリード１４と正極１２１ａの接続不良などが挙げられる。このような場合、第１のリード１４の替わりに、第２のリード１５を正極として用いるようにすることにより、超音波センサを正常に動作させることができる。このように、本実施の形態に係る超音波センサは、冗長性を有するものと言うことができる。
【００４３】
超音波センサから超音波が出力されない場合には（ステップＳ１７：ＮＯ）、第２のリード１５やその接点または圧電体板１２１に異常が発生している、すなわち、第１のリードやその接点に異常が発生していないと判断する（ステップＳ１９）。この異常としては、第２のリード１５と正極１２１ａの接続不良、第２のリード１５の断線などが挙げられる。
【００４４】
このように、本実施の形態によれば、圧電素子１２が、第１のリード１４，第２のリード１５および第３のリード１６を備えることにより、これらのリード間の電気的導通を確認することで超音波センサに生じた異常の原因を突き止めることができる。また、その原因に応じて、電子回路に接続するリードを変更するだけで、超音波センサを正常に動作させることが可能となるので、超音波センサに異常が発生しても超音波センサを交換せずにその異常を解決することが可能となる。
【００４５】
上述したステップＳ１３，Ｓ１８，Ｓ１９のように、超音波センサ診断部８３により、第１の超音波センサ１０ａおよび第２の超音波センサ１０ｂの何れかに異常が発生したと診断されると（ステップＳ４：ＹＥＳ）、異常検出部８２は、測定結果に異常が発生した原因が第１の超音波センサ１０ａおよび第２の超音波センサ１０ｂの何れかの故障によるものであると診断する（ステップＳ９）。この診断結果は、出力部７に出力するようにしてもよい。これにより、オペレータは、出力部７に出力された診断結果に基づいて、故障が発生した第１の超音波センサ１０ａおよび第２の超音波センサ１０ｂを交換するなどの対応を採ることが可能となる。また、測定装置の測定結果に生じた異常を解決することができる。
【００４６】
（管路内の診断）
一方、上述したステップＳ１６のように、超音波センサ診断部８３により、第１の超音波センサ１０ａおよび第２の超音波センサ１０ｂの何れかに異常が発生していないと診断されると（ステップＳ４：ＮＯ）、管路１内において超音波測定を阻害する要因が発生している可能性が高いと考えられるので、次のような管路内の診断処理を実行する。
まず、同期加算部８４は、送信部５に対して第１の超音波センサ１０ａおよび第２の超音波センサ１０ｂのいずれか一方に所定の超音波信号の送信を複数回数行わせるように指示するとともに、送信された超音波信号を他の超音波センサ（第１の超音波センサ１０ａおよび第２の超音波センサ１０ｂのうちの他方）によって受信した信号を受信部６を介して受信して、それらを同期加算する（ステップＳ５）。この同期加算とは、受信用の他の超音波センサ（第１の超音波センサ１０ａまたは第２の超音波センサ１０ｂ）により、例えば１００回など、複数回受信された超音波信号の波形を同期をとって足し合わせる演算方法である。具体的には、送信用の超音波センサから所定の超音波信号を送信するタイミングと同期して受信された信号波形を互いに加算する。
なお、この同期加算は、第１の超音波センサ１０ａと第２の超音波センサ１０ｂとの間で送信用超音波センサおよび受信用超音波センサの役割を交換して、それぞれの場合に対して個別に行ってもよい。
【００４７】
図１０に同期加算を行う前の超音波信号の波形の例を、図１１に同期加算を行った後の超音波信号の波形の例を示す。ここで図１０の符号ａおよび図１１の符号ｃで示す波形は、下流側に配置された第２の超音波センサ１０ｂによって受信された超音波信号の受信波形の一例を示すものであり、図１０の符号ｂおよび図１１の符号ｄで示す波形は、上流側に配置された第１の超音波センサ１０ａによって受信された超音波信号の受信波形の一例を示すものである。
【００４８】
超音波センサ１０ａ、１０ｂに故障が発生していない場合に超音波診断装置による測定結果が正常に得られなくなる原因としては、管路１内での気泡の混入や管路１内への付着物の堆積が考えられるが、そのときの同期加算前の受信信号波形は、図１０に示すように、信号波形がノイズに埋もれている。
ここで、少量の気泡により超音波信号の伝播が阻害されている場合は、第１および第２の超音波センサ１０ａ、１０ｂ間では、わずかながらも超音波信号の送受信は可能であるので、超音波信号の送受信を複数回繰り返し、これらを加算するいわゆる同期加算を行うと、図１１の符号ｃ，ｄで示すように、ＳＮ比が向上し、その信号レベルが大きく現れることとなる。
一方、大量の気泡や堆積物などにより超音波信号の伝播が阻害されている場合、２つの超音波センサ１０ａ、１０ｂ間での超音波信号の送受信が行えなくなる。この場合、受信信号波形には、そもそも送信された超音波信号の信号成分が含まれていない。このため、同期加算を行ったとしても、その信号レベルが大きく現れない。
そこで、同期加算を行ったＳＮ比が改善されたか否かを評価することによって、測定結果に異常が発生した原因が、少量の気泡によるものなのか、または、大量の気泡もしくは堆積物によるものなのかを判別することができる。
同期加算の結果に基づく具体的な診断方法としては、例えば、同期加算処理後の信号波形の信号レベルと異常検出時に記憶部８６に記憶した最大振幅αとを比較して、同期加算処理後の信号波形の信号レベルが最大振幅αを所定の値以上上回っていれば、異常が発生した原因が、少量の気泡によるものと診断し、上回っていなければ、大量の気泡もしくは堆積物によるものと診断することができる。
【００４９】
具体的には、同期加算が行われると、管路診断部８５は、その同期加算が行われた超音波信号の波形における最大振幅βを測定する（ステップＳ６）。この最大振幅βは、記憶部８６に記憶されるようにしてもよい。
【００５０】
最大振幅βが測定されると、管路診断部８５は、その最大振幅βが上述したステップＳ２で測定した最大振幅αよりも大きいか否か比較する（ステップＳ７）。
【００５１】
最大振幅βが最大振幅αよりも大きい場合（ステップＳ７：ＹＥＳ）、管路診断部８５は、測定結果に異常が発生した原因が、少量の気泡によるものであると診断する（ステップＳ８）。一方、最大振幅βが最大振幅αよりも大きくない場合（ステップＳ７：ＮＯ）、管路診断部８５は、測定結果に異常が発生した原因が、大量の気泡や堆積物によるものであると診断する（ステップＳ９）。これらの診断結果は、出力部７に出力するようにしてもよい。これにより、オペレータは、出力部７に出力された診断結果に基づいて、対応を採ることが可能となる。具体的には、原因が少量の気泡の場合には、特に対応を行わなくて良いことを認識することができる。一方、原因が大量の泡や堆積物の場合には、管路１を清掃したり、流体の流速や流量等を変化させたりすることにより、管路１内の異常を解決するための対応を行うことができる。
【００５２】
なお、同期加算の結果に基づく具体的な診断方法として、最大振幅に基づく方法について説明したが、同期加算によるＳＮ比の改善が判別できれば、他のいかなる手法を用いることができる。
例えば、送信した超音波信号波形と同期加算後の信号波形とを比較して、その差を最小二乗法等の手法により評価してもよいし、また、同期加算後の信号波形を、送信した超音波信号波形や同期加算前の信号波形とともにモニタ等の出力部７に表示して、これらをユーザが比較することによって同期加算によるＳＮ比の改善を評価し、異常の発生原因を特定してもよい。
【００５３】
以上説明したように、本実施の形態によれば、管路判断部８５が、同期加算部８４による同期加算の演算結果に基づいて測定結果の異常を診断するので、例えば、相互相関と減衰率といった複数の量を求める必要がなく、さらには、フーリエ変換よりも演算負荷の軽減された手法により測定装置の測定結果の異常の原因の診断を実現することができる。
【００５４】
なお、本実施の形態では、２つの超音波センサ間で超音波信号を相互に送受信する場合を例に説明したが、超音波センサの構成はそれに限定されず、適宜自由に設定することができる。例えば、図１２に示すように、送信用の第１の超音波センサ１０ｃおよび第２の超音波センサ１０ｄと、受信用の第３の超音波センサ１０ｅとを備えるようにしてもよい。ここで、第１〜第３の超音波センサ１０ｃ〜１０ｅは、それぞれ上述した超音波センサ１０から構成される。また、第１の超音波センサ１０ｃ、第３の超音波センサ１０ｅ、第２の超音波センサ１０ｄの順番で上流側から配置され、かつ、第１の超音波センサ１０ｃおよび第２の超音波センサ１０ｄと、第３の超音波センサ１０ｅとが管路１の中心軸に対して反対側の管路１の管壁に配設されている。このとき、第１の超音波センサ１０ｃおよび第２の超音波センサ１０ｄは、送信面が第２の超音波センサの受信面を向くように、管路１の軸線に対して斜めに配置されている。さらに、第１の超音波センサ１０ｃと第２の超音波センサ１０ｄは、切替部４を介して送信部５に接続され、第３の超音波センサ１０ｅは、受信部６に接続されている。その他の構成については、図１を参照して説明した本実施の形態における測定装置と同等である。このようにしても、本実施の形態と同等の作用効果を得ることができる。
【００５５】
また、上述した実施の形態においては、超音波測定装置の測定結果に異常が発生したことが検出されると、管路内の診断に先立って超音波センサの診断（第１の超音波センサ１０ａまたは第２の超音波センサ１０ｂが故障しているか否かの診断）を実施するものとして説明したが、本発明においては、超音波センサの診断を省略したり、超音波センサの診断に先立って管路内の診断を実施してもよい。
また、超音波センサの診断について、本実施の形態では、超音波センサ診断部８３により第１の超音波センサ１０ａおよび第２の超音波センサ１０ｂが故障しているか否かを診断する場合を例に説明したが、その診断はユーザにより行うようにしてもよい。この場合、第１〜第３のリード１４〜１６の導通状態をテスタ等で行うことにより、実現することができる。このような場合、超音波センサ診断部８３は、第１の超音波センサ１０ａおよび第２の超音波センサ１０ｂが故障しているか否かの診断を行わせる指示を出力部７に出力させるようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明は、超音波センサにより流体の状態を測定する各種測定装置に適用することができる。
【符号の説明】
【００５７】
１…管路、４…切替部、５…送信部、６…受信部、７…出力部、８…制御部、１０…超音波センサ、１０ａ…第１の超音波センサ、１０ｂ…第２の超音波センサ、１０ｃ…第１の超音波センサ、第２の超音波センサ…１０ｄ、１０ｅ…第３の超音波センサ、１１…ケース、１１ａ…開口、１１ｂ…底部、１２…圧電素子、１３…接着剤、１４…第１のリード、１５…第２のリード、１６…第３のリード、１２１…圧電体板、１２１ａ…正極、１２１ｂ…負極、１２１ｂ’…折り返し電極、
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を利用して管路内の流体の状態を測定する超音波測定装置に関し、特に超音波測定装置の測定結果に生じた異常を診断する診断方法および超音波測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波測定装置は、管路内を流れる流体に超音波センサによって超音波を伝播させ、その伝播速度の変化に基づいて流体の流速や流量などを測定する測定装置である。このような超音波測定装置において、例えば測定結果が得られないなど、その測定結果に異常が生じる場合がある。測定結果に異常が生じる原因としては、超音波センサ自身の故障、流路内での気泡の大量発生、流路内への異物の混入などが考えられ、これらの原因を識別することは、適切な対策を採る上で重要である。
【０００３】
従来より、超音波測定装置の測定結果に異常が生じた原因を識別する方法について、様々な提案がなされている。
例えば、特許文献１においては、流路の上流から下流に向けて伝搬する超音波を受診した上流側信号と下流から上流に向けて伝搬する超音波を受診した下流側信号との相互相関と、受信超音波の減衰度とをそれぞれ演算し、この演算によって得られた相互相関の最大値および減衰度とに基づいて、配管の状態を診断する方法が提案されている。この方法では、その相関の最大値および減衰度の大小関係に基づいて、超音波診断装置が正常に動作しなくなった原因が、配管への付着物の堆積、および、配管内への気泡の混入のうちのいずれであるかを診断している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４２７３５１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の方法では、超音波信号の相互相関と減衰量という２つの値を把握しなければならず、さらには、その相互相関を求めるのにフーリエ変換等の複雑な演算を行っていた。その結果、異常の原因を診断するための演算負荷が高いものとなっていた。
【０００６】
そこで、本願発明は、超音波測定装置の測定結果に生じた異常を診断する際の演算負荷を軽減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述したような課題を解決するために、本発明に係る診断方法は、流体が流れる配管の上流側に配置された超音波センサと下流側に配置された超音波センサとの間で超音波の送受信を行って流体の状態を測定した測定結果に生じた異常を診断する診断方法であって、１の超音波センサから所定の超音波信号を複数回送信させる送信ステップと、他の超音波センサで受信した所定の超音波信号の波形を同期加算する同期加算ステップと、この同期加算ステップによる演算結果に基づいて測定結果に生じた異常を診断する診断ステップとを有することを特徴とする。
【０００８】
上記診断方法において、上記診断ステップは、他の超音波センサで受信した所定の超音波信号のＳＮ比が同期加算することによって改善されたか否かに基づいて配管内に生じている異常を診断するようにしてもよい。
【０００９】
また、上記診断方法において、送信ステップに先立って、超音波センサの異常の診断するステップをさらに備えるようにしてもよい。
【００１０】
また、上記診断方法において、超音波センサは、配管の上流側に設けられた第１の超音波センサと、配管の下流側に設けられた第２の超音波センサとから構成され、第１の超音波センサおよび第２の超音波センサは、１の超音波センサまたは他の超音波センサとして機能するようにしてもよい。
【００１１】
また、上記診断方法において、超音波センサは、配管の上流側に設けられ、超音波を送信する第１の超音波センサと、配管の下流側に設けられ、超音波を送信する第２の超音波センサと、配管の流れ方向における第１の超音波センサと第２の超音波センサとの間に設けられ、超音波を受信する第３のセンサとから構成され、第１の超音波センサおよび第２の超音波センサは、１の超音波センサとして機能し、第３の超音波センサは、他の超音波センサとして機能するようにしてもよい。
【００１２】
また、本発明に係る測定装置は、流体が流れる配管の上流側に配置された超音波センサと下流側に配置された超音波センサとの間で超音波の送受信を行って、流体の状態を測定する超音波測定装置であって、１の超音波センサから所定の超音波信号を複数回送信させる送信手段と、他の超音波センサで受信した所定の超音波信号の波形を同期加算する同期加算手段と、この同期加算手段による演算結果に基づいて測定結果に生じた異常を診断する診断手段とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、同期加算の演算結果に基づいて測定結果の異常を診断するので、例えば、相互相関と減衰率といった複数の量を求める必要がなく、さらには、フーリエ変換よりも演算負荷の軽減された手法により測定装置の測定結果の異常の原因の診断を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係る測定装置の構成を模式的に示す図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態に係る測定装置における超音波センサの構成を模式的に示す断面図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態に係る測定装置における超音波センサの圧電素子の構成を模式的に示す斜視図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態に係る測定装置における測定結果の異常診断動作を説明するためのフローチャートである。
【図５】図５は、本発明の実施の形態に係る測定装置における超音波センサの故障の診断方法を説明するためのフローチャートである。
【図６】図６は、本発明の実施の形態に係る測定装置における超音波センサの故障の診断方法を説明するための模式図である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態に係る測定装置における超音波センサの故障の診断方法を説明するための模式図である。
【図８】図８は、本発明の実施の形態に係る測定装置における超音波センサの故障の診断方法を説明するための模式図である。
【図９】図９は、本発明の実施の形態に係る測定装置における超音波センサの故障の診断方法を説明するための模式図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施の形態に係る測定装置において同期加算を行う前の超音波信号の波形を示す図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施の形態に係る測定装置において同期加算を行った超音波信号の波形を示す図である。
【図１２】図１２は、本発明の実施の形態に係る測定装置の変形例を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１６】
＜超音波測定装置の構成＞
図１に示すように、本実施の形態に係る超音波測定装置は、測定対象となる流体が内部を流通する管路１に配置された第１の超音波センサ１０ａおよび第２の超音波センサ１０ｂと、これら超音波センサ１０ａ、１０ｂの間で入出力される信号を切り替える切替部４と、この切替部４を介して１の超音波センサ１０ａ（１０ｂ）に信号を入力して超音波信号を送出させる送信部５と、切替部４を介して他の超音波センサ１０ｂ（１０ａ）によって受信した超音波信号に応じた信号を受信する受信部６と、各種情報を出力する出力部７と、測定装置全体の動作を制御する制御部８とを備えている。
【００１７】
第１の超音波センサ１０ａおよび第２の超音波センサ１０ｂは、第１の超音波センサ１０ａが第２の超音波センサ１０ｂよりも上流側に位置し、かつ、管路１の中心軸を挟んだ管路１の管壁に配設されている。第１の超音波センサ１０ａと第２の超音波センサ１０ｂとは、互いの送受信面が対向するように、管路１の軸線に対して斜めに、すなわち、軸線に対して９０°未満の角度をなして対向配置されている。
【００１８】
切替部４は、制御部８の指示に基づいて、第１の超音波センサ１０ａおよび第２の超音波センサ１０ｂと、送信部５および受信部６との接続を切り替えるスイッチング回路である。
【００１９】
送信部５は、制御部８からの制御信号に基づいて、切替部４を介して第１の超音波センサ１０ａまたは第２の超音波センサ１０ｂに電圧を印加して、これらの超音波センサ１０ａ、１０ｂのいずれか一方から、例えばパルス状の所定の超音波信号を送出させる駆動回路である。
【００２０】
受信部６は、切替部４を介して第１の超音波センサ１０ａまたは第２の超音波センサ１０ｂにより受信された超音波信号に応じた電圧信号を受信し、制御部８に出力する受信回路である。
【００２１】
出力部７は、例えばＬＣＤ（Liquid Crystal Display）や有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイなど、制御部８の指示に基づいて、各種情報を表示するインターフェース装置から構成される。
【００２２】
制御部８は、切替部４、送信部５、受信部６および出力部７との間で各種信号をやりとりすることにより、測定装置全体の動作を制御する電子回路から構成される。このような制御部８は、測定部８１、異常検出部８２、超音波センサ診断部８３、同期加算部８４、管路診断部８５および記憶部８６を備えている。
【００２３】
測定部８１は、受信部６から入力される信号に基づいて、管路１内の流体の状態、例えば流速や流量などを演算する機能部である。具体的には、基準信号を送信部５に送出し、切替部４によりその基準信号を第１の超音波センサ１０ａおよび第２の超音波センサ１０ｂに順次入力させて超音波信号を発信させる。これにより、第１の超音波センサ１０ａおよび第２の超音波センサ１０ｂが順次受信した超音波信号を切替部４および受信部６を介して受信し、その超音波信号の到達時間等に基づいて、管路１内の流体の状態を測定する。この測定結果は、出力部７に出力されたり、記憶部８６に記憶されたりする。
【００２４】
異常検出部８２は、例えば送信部５に対しては１の超音波センサ１０ａ（または１０ｂ）から超音波信号を出力させる信号を出力しているにも関わらず、測定部８１から測定結果が得られないなど、測定部８１による測定結果に異常が発生しているか否かを検出する機能部である。
【００２５】
超音波センサ診断部８３は、異常検出部８２により測定結果に異常が発生していることが検出されると、第１の超音波センサ１０ａおよび第２の超音波センサ１０ｂの何れかに異常が発生しているか否かを診断する機能部である。この超音波センサ診断部８３による第１の超音波センサ１０ａおよび第２の超音波センサ１０ｂの診断動作については後述する。
【００２６】
同期加算部８４は、超音波センサ診断部８３により、第１の超音波センサ１０ａおよび第２の超音波センサ１０ｂに異常が発生していないと診断された場合に、第１の超音波センサ１０ａおよび第２の超音波センサ１０ｂに所定の超音波信号の送受信を複数回数行わせるとともに、これらの超音波信号を受信した信号波形を同期加算する、同期制御および演算機能部である。
【００２７】
管路診断部８５は、同期加算部８４の演算結果に基づいて、管路１内部の異常を診断する機能部である。この管路診断部８５による診断動作については後述する。
【００２８】
記憶部８６は、測定部８１から出力される基準信号、測定部８１による測定結果、制御部８の動作プログラムなど、測定装置の動作に必要な各種情報を記憶する機能部である。
【００２９】
第１の超音波センサ１０ａおよび第２の超音波センサ１０ｂの構成例を図２に示す。
超音波センサ１０は、ケース１１と、円盤状の圧電素子１２とを備え、この圧電素子１２はケース１１の内部に接着剤１３等により固定されている。
【００３０】
ケース１１は、ステンレス等の導電性を有する材料から構成され、一端が開口する円筒状の内部空間を有している。このようなケース１１の開口部１１ａと対向する底部１１ｂの内壁面には、圧電素子１２が接着剤１３によって固定される。
【００３１】
圧電素子１２は、２枚の電極１２１ａ，１２１ｂで挟まれた円盤状の圧電体板１２１を備えている。この圧電体板１２１のケース１１の底部と対向する下面には、ほぼ全面に亘って負極１２１ｂが形成されている。一方、圧電体板１２１の上面には、図３に示すように、一部を除いた部分に正極１２１ａが形成され、その一部には、下面の負極１２１ｂと電気的に接続された折り返し電極１２１ｂ’が形成されている。すなわち、下面のほぼ全面に亘って形成された負極１２１ｂは、圧電体板１２１の側面を経てその上面まで延在して形成されている。この上面において、折り返し電極１２１ｂ’は、正極１２１ａと所定間隔離間しており、正極１２１ａとは絶縁されている。上面の正極１２１ａには、第１のリード１４および第２のリード１５が互いに離間した位置に接続されている。一方、上面の負極１２１ｂには、第３のリード１６が接続されている。本実施の形態においては、折り返し電極１２１ｂ’を備えることにより、圧電素子１２の上面のみから正極１２１ａおよび負極１２１ｂにリード線を接続することが可能となる。なお、図１等においては、説明のために正極１２１ａ，負極１２１ｂおよび折り返し電極１２１ｂ’の厚みを大きく記載しているが、実際それらの厚さはごく小さなものとなっている。
【００３２】
接着剤１３は、エポキシ樹脂など、導電性を有する公知の接着剤から構成され、ケース１１の底部１１ｂに圧電素子１２を固定するとともに、ケース１１と圧電素子１２の負極１２１ｂとを電気的に接続する。なお、ケース１１と圧電素子１２とを固定する方法はこれに限定されず、ケース１１と圧電素子１２とが電気的に接続された状態でケース１１に圧電素子１２が固定されるのであれば、各種方法を適宜自由に適用することができる。例えば、導電性を有さない接着剤により、圧電素子１２をケース１１に固定するようにしてもよい。この場合には、圧電素子１２の負極２１ｂとケース１１の底部１１ｂとが点接触する程度に接着剤１３の層を薄くすればよい。また、ロウ材により圧電素子１２をケース１１に固定するようにしてもよい。以下においては、導電性を有する接着剤１３を用いた場合を例に説明を行う。
【００３３】
＜測定装置の異常診断動作＞
次に、図４を参照して、本実施の形態に係る測定装置における測定結果の異常診断動作について説明する。
【００３４】
制御部８の測定部８１が管路１内部の流体の状態を測定している状態において、異常検出部８２は、その測定結果に異常が発生しているか否かを監視している（ステップＳ１）。このような状態において、例えば、送信部５に対しては１の超音波センサ１０ａ（または１０ｂ）から超音波信号を出力させる信号を出力しているにも関わらず、測定部８１から得られる測定結果が所定の値に至らず、測定結果が得られないと見なされるなど、測定結果に異常が発生したことが検出されると（ステップＳ１：ＹＥＳ）、異常検出部８２は、その異常検出時に受信部６が受信した超音波信号の最大振幅を測定する（ステップＳ２）。この測定値は、最大振幅αとして、記憶部８６に記憶される。
【００３５】
（超音波センサの診断）
最大振幅αが記憶部８６に記憶されると、超音波センサ診断部８３は、まず、第１の超音波センサ１０ａおよび第２の超音波センサ１０ｂに異常が発生しているか否かを診断する（ステップＳ３）。この診断動作の詳細について、図５〜図９を参照して説明する。
【００３６】
第１の超音波センサ１０ａおよび第２の超音波センサ１０ｂは、図６に示すように、圧電素子１２の正極１２１ａに接続された第１のリード１４または第２のリード１５の何れか１つ（以下、簡単のため、第１のリード１４を例に説明する。）を正極、ケース１１を負極として切替部４に接続されている。また、第２のリード１５および第３のリード１６についても、切替部４に接続されている。このような状態において、第１の超音波センサ１０ａおよび第２の超音波センサ１０ｂにより超音波を発信させる場合、第１のリード１４とケース１１との間に電圧を印加する。ケース１１は導電性を有する材料から構成されており、ケース１１の底部の内壁面と圧電素子１２の下面、すなわち負極１２１ｂとを接着する接着剤１３も、導電性を有する材料から構成されているので、圧電体板１２１の正極１２１ａと負極１２１ｂとの間に電圧が印加されると、圧電体板１２１が振動し、ケース１１の底部から超音波が発信される。一方、超音波センサにより超音波を受信する場合には、ケース１１の底部に超音波が到達すると、この超音波により圧力を受ける圧電体板１２１により超音波の振動が電圧の変化に変換される。この電圧は、正極１２１ａに接続された第１のリード１４、および、負極１２１ｂに接着剤１３を介して接続されたケース１１を介して、切替部４および受信部６を介して制御部８の測定部８１により検出されることとなる。
【００３７】
このように第１の超音波センサ１０ａおよび第２の超音波センサ１０ｂを動作させている状態において、第１の超音波センサ１０ａおよび第２の超音波センサ１０ｂに異常が発生しているか否か診断する旨の指示を受信すると（ステップＳ１１）、超音波センサ診断部８３は、図７に示すように、ケース１１と第３のリード１６との間の電気的導通を確認する（ステップＳ１２）。上述したように、ケース１１は、接着剤１３を介して圧電体板１２１の下面に形成された負極１２１ｂに接続されている。また、第３のリード１６は、折り返し電極の構造により、圧電体板１２１の上面に形成された折り返し電極１２１ｂ’に接続されている。したがって、ケース１１と第３のリード１６との間の電気的導通を確認することにより、それらの間、すなわち、ケース１１、接着剤１３、負極１２１ｂおよび第３のリード１６の間に異常が発生したか否かを確認することができる。
【００３８】
ケース１１と第３のリード１６との間の電気的導通が確認できなかった場合には（ステップＳ１２：ＮＯ）、それらの間に異常が発生していると判断する（ステップＳ１３）。この場合の異常としては、ケース１１と圧電体板１２１との接着不良、第３のリード１６と負極１２１ｂとの接続不良、第３のリード１６の断線などが挙げられる。この場合は、超音波センサ自体の交換を検討することとなる。
【００３９】
一方、ケース１１と第３のリード１６との間の電気的導通が確認できた場合には（ステップＳ１２：ＹＥＳ）、それらの間には異常が無いと判断する（ステップＳ４）。次いで、図８に示すように、第１のリード１４と第２のリード１５との間の電気的導通を確認する（ステップＳ１５）。上述したように、第１のリード１４および第２のリード１５は、圧電体板１２１上面の正極１２１ａに接続されている。したがって、第１のリード１４と第２のリード１５との間の電気的導通を確認することにより、それらの間、すなわち、第１のリード１４、正極１２１ａ、第２のリード１５の間に異常が発生したか否かを確認することができる。
【００４０】
第１のリード１４と第２のリード１５との間の電気的導通が確認できた場合には（ステップＳ１５：ＹＥＳ）、それらの間には異常が無いと判断する（ステップＳ１６）。これにより、ケース１１と第３のリード１６との間、および、第１のリード１４と第２のリード１５との間に異常が無いことが確認されたので、超音波センサではなく管路１に異常が発生したと考えることができる。
【００４１】
一方、第１のリード１４と第２のリード１５との間の電気的導通が確認できなかった場合（ステップＳ１５：ＮＯ）、それらの間に異常が発生していると判断することができる。そこで、第１のリード１４と第２のリード１５の何れに異常が発生しているかを判断するために、図９に示すように、第２のリード１５を正極、ケース１１を負極として、これらの間に電源回路に接続して電圧を印加し、超音波センサが正常に動作するか否かを確認する（ステップＳ１７）。上述したように、ケース１１は、導電性の接着剤１３を介して圧電体板１２１の下面に形成された負極１２１ｂに接続されている。また、第２のリード１５は、圧電体板１２１の上面に形成された正極１２１ａに接続されている。したがって、第２のリード１５やその接点に異常が無い場合には、ケース１１と第２のリード１５との間に電圧を印加すると、圧電体板１２１の正極１２１ａと負極１２１ｂとの間に電圧が印加されるので、圧電体板１２１が振動してケース１１の底部から超音波が発信されることとなる。よって、正極として第１のリード１４と第２のリード１５とをそれぞれ選択した場合に第１の超音波センサ１０ａおよび第２の超音波センサ１０ｂから超音波が出力されるか否かにより、第１のリード１４と第２のリード１５の何れに異常が発生しているかを判断することができる。
【００４２】
第１の超音波センサ１０ａおよび第２の超音波センサ１０ｂから超音波が出力された場合には（ステップＳ１７：ＹＥＳ）、第２のリード１５やその接点には異常が発生していない、すなわち、第１のリードやその接点に異常が発生していると判断する（ステップＳ１８）。この異常としては、第１のリード１４の断線、第１のリード１４と正極１２１ａの接続不良などが挙げられる。このような場合、第１のリード１４の替わりに、第２のリード１５を正極として用いるようにすることにより、超音波センサを正常に動作させることができる。このように、本実施の形態に係る超音波センサは、冗長性を有するものと言うことができる。
【００４３】
超音波センサから超音波が出力されない場合には（ステップＳ１７：ＮＯ）、第２のリード１５やその接点または圧電体板１２１に異常が発生している、すなわち、第１のリードやその接点に異常が発生していないと判断する（ステップＳ１９）。この異常としては、第２のリード１５と正極１２１ａの接続不良、第２のリード１５の断線などが挙げられる。
【００４４】
このように、本実施の形態によれば、圧電素子１２が、第１のリード１４，第２のリード１５および第３のリード１６を備えることにより、これらのリード間の電気的導通を確認することで超音波センサに生じた異常の原因を突き止めることができる。また、その原因に応じて、電子回路に接続するリードを変更するだけで、超音波センサを正常に動作させることが可能となるので、超音波センサに異常が発生しても超音波センサを交換せずにその異常を解決することが可能となる。
【００４５】
上述したステップＳ１３，Ｓ１８，Ｓ１９のように、超音波センサ診断部８３により、第１の超音波センサ１０ａおよび第２の超音波センサ１０ｂの何れかに異常が発生したと診断されると（ステップＳ４：ＹＥＳ）、異常検出部８２は、測定結果に異常が発生した原因が第１の超音波センサ１０ａおよび第２の超音波センサ１０ｂの何れかの故障によるものであると診断する（ステップＳ９）。この診断結果は、出力部７に出力するようにしてもよい。これにより、オペレータは、出力部７に出力された診断結果に基づいて、故障が発生した第１の超音波センサ１０ａおよび第２の超音波センサ１０ｂを交換するなどの対応を採ることが可能となる。また、測定装置の測定結果に生じた異常を解決することができる。
【００４６】
（管路内の診断）
一方、上述したステップＳ１６のように、超音波センサ診断部８３により、第１の超音波センサ１０ａおよび第２の超音波センサ１０ｂの何れかに異常が発生していないと診断されると（ステップＳ４：ＮＯ）、管路１内において超音波測定を阻害する要因が発生している可能性が高いと考えられるので、次のような管路内の診断処理を実行する。
まず、同期加算部８４は、送信部５に対して第１の超音波センサ１０ａおよび第２の超音波センサ１０ｂのいずれか一方に所定の超音波信号の送信を複数回数行わせるように指示するとともに、送信された超音波信号を他の超音波センサ（第１の超音波センサ１０ａおよび第２の超音波センサ１０ｂのうちの他方）によって受信した信号を受信部６を介して受信して、それらを同期加算する（ステップＳ５）。この同期加算とは、受信用の他の超音波センサ（第１の超音波センサ１０ａまたは第２の超音波センサ１０ｂ）により、例えば１００回など、複数回受信された超音波信号の波形を同期をとって足し合わせる演算方法である。具体的には、送信用の超音波センサから所定の超音波信号を送信するタイミングと同期して受信された信号波形を互いに加算する。
なお、この同期加算は、第１の超音波センサ１０ａと第２の超音波センサ１０ｂとの間で送信用超音波センサおよび受信用超音波センサの役割を交換して、それぞれの場合に対して個別に行ってもよい。
【００４７】
図１０に同期加算を行う前の超音波信号の波形の例を、図１１に同期加算を行った後の超音波信号の波形の例を示す。ここで図１０の符号ａおよび図１１の符号ｃで示す波形は、下流側に配置された第２の超音波センサ１０ｂによって受信された超音波信号の受信波形の一例を示すものであり、図１０の符号ｂおよび図１１の符号ｄで示す波形は、上流側に配置された第１の超音波センサ１０ａによって受信された超音波信号の受信波形の一例を示すものである。
【００４８】
超音波センサ１０ａ、１０ｂに故障が発生していない場合に超音波診断装置による測定結果が正常に得られなくなる原因としては、管路１内での気泡の混入や管路１内への付着物の堆積が考えられるが、そのときの同期加算前の受信信号波形は、図１０に示すように、信号波形がノイズに埋もれている。
ここで、少量の気泡により超音波信号の伝播が阻害されている場合は、第１および第２の超音波センサ１０ａ、１０ｂ間では、わずかながらも超音波信号の送受信は可能であるので、超音波信号の送受信を複数回繰り返し、これらを加算するいわゆる同期加算を行うと、図１１の符号ｃ，ｄで示すように、ＳＮ比が向上し、その信号レベルが大きく現れることとなる。
一方、大量の気泡や堆積物などにより超音波信号の伝播が阻害されている場合、２つの超音波センサ１０ａ、１０ｂ間での超音波信号の送受信が行えなくなる。この場合、受信信号波形には、そもそも送信された超音波信号の信号成分が含まれていない。このため、同期加算を行ったとしても、その信号レベルが大きく現れない。
そこで、同期加算を行ったＳＮ比が改善されたか否かを評価することによって、測定結果に異常が発生した原因が、少量の気泡によるものなのか、または、大量の気泡もしくは堆積物によるものなのかを判別することができる。
同期加算の結果に基づく具体的な診断方法としては、例えば、同期加算処理後の信号波形の信号レベルと異常検出時に記憶部８６に記憶した最大振幅αとを比較して、同期加算処理後の信号波形の信号レベルが最大振幅αを所定の値以上上回っていれば、異常が発生した原因が、少量の気泡によるものと診断し、上回っていなければ、大量の気泡もしくは堆積物によるものと診断することができる。
【００４９】
具体的には、同期加算が行われると、管路診断部８５は、その同期加算が行われた超音波信号の波形における最大振幅βを測定する（ステップＳ６）。この最大振幅βは、記憶部８６に記憶されるようにしてもよい。
【００５０】
最大振幅βが測定されると、管路診断部８５は、その最大振幅βが上述したステップＳ２で測定した最大振幅αよりも大きいか否か比較する（ステップＳ７）。
【００５１】
最大振幅βが最大振幅αよりも大きい場合（ステップＳ７：ＹＥＳ）、管路診断部８５は、測定結果に異常が発生した原因が、少量の気泡によるものであると診断する（ステップＳ８）。一方、最大振幅βが最大振幅αよりも大きくない場合（ステップＳ７：ＮＯ）、管路診断部８５は、測定結果に異常が発生した原因が、大量の気泡や堆積物によるものであると診断する（ステップＳ９）。これらの診断結果は、出力部７に出力するようにしてもよい。これにより、オペレータは、出力部７に出力された診断結果に基づいて、対応を採ることが可能となる。具体的には、原因が少量の気泡の場合には、特に対応を行わなくて良いことを認識することができる。一方、原因が大量の泡や堆積物の場合には、管路１を清掃したり、流体の流速や流量等を変化させたりすることにより、管路１内の異常を解決するための対応を行うことができる。
【００５２】
なお、同期加算の結果に基づく具体的な診断方法として、最大振幅に基づく方法について説明したが、同期加算によるＳＮ比の改善が判別できれば、他のいかなる手法を用いることができる。
例えば、送信した超音波信号波形と同期加算後の信号波形とを比較して、その差を最小二乗法等の手法により評価してもよいし、また、同期加算後の信号波形を、送信した超音波信号波形や同期加算前の信号波形とともにモニタ等の出力部７に表示して、これらをユーザが比較することによって同期加算によるＳＮ比の改善を評価し、異常の発生原因を特定してもよい。
【００５３】
以上説明したように、本実施の形態によれば、管路判断部８５が、同期加算部８４による同期加算の演算結果に基づいて測定結果の異常を診断するので、例えば、相互相関と減衰率といった複数の量を求める必要がなく、さらには、フーリエ変換よりも演算負荷の軽減された手法により測定装置の測定結果の異常の原因の診断を実現することができる。
【００５４】
なお、本実施の形態では、２つの超音波センサ間で超音波信号を相互に送受信する場合を例に説明したが、超音波センサの構成はそれに限定されず、適宜自由に設定することができる。例えば、図１２に示すように、送信用の第１の超音波センサ１０ｃおよび第２の超音波センサ１０ｄと、受信用の第３の超音波センサ１０ｅとを備えるようにしてもよい。ここで、第１〜第３の超音波センサ１０ｃ〜１０ｅは、それぞれ上述した超音波センサ１０から構成される。また、第１の超音波センサ１０ｃ、第３の超音波センサ１０ｅ、第２の超音波センサ１０ｄの順番で上流側から配置され、かつ、第１の超音波センサ１０ｃおよび第２の超音波センサ１０ｄと、第３の超音波センサ１０ｅとが管路１の中心軸に対して反対側の管路１の管壁に配設されている。このとき、第１の超音波センサ１０ｃおよび第２の超音波センサ１０ｄは、送信面が第２の超音波センサの受信面を向くように、管路１の軸線に対して斜めに配置されている。さらに、第１の超音波センサ１０ｃと第２の超音波センサ１０ｄは、切替部４を介して送信部５に接続され、第３の超音波センサ１０ｅは、受信部６に接続されている。その他の構成については、図１を参照して説明した本実施の形態における測定装置と同等である。このようにしても、本実施の形態と同等の作用効果を得ることができる。
【００５５】
また、上述した実施の形態においては、超音波測定装置の測定結果に異常が発生したことが検出されると、管路内の診断に先立って超音波センサの診断（第１の超音波センサ１０ａまたは第２の超音波センサ１０ｂが故障しているか否かの診断）を実施するものとして説明したが、本発明においては、超音波センサの診断を省略したり、超音波センサの診断に先立って管路内の診断を実施してもよい。
また、超音波センサの診断について、本実施の形態では、超音波センサ診断部８３により第１の超音波センサ１０ａおよび第２の超音波センサ１０ｂが故障しているか否かを診断する場合を例に説明したが、その診断はユーザにより行うようにしてもよい。この場合、第１〜第３のリード１４〜１６の導通状態をテスタ等で行うことにより、実現することができる。このような場合、超音波センサ診断部８３は、第１の超音波センサ１０ａおよび第２の超音波センサ１０ｂが故障しているか否かの診断を行わせる指示を出力部７に出力させるようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明は、超音波センサにより流体の状態を測定する各種測定装置に適用することができる。
【符号の説明】
【００５７】
１…管路、４…切替部、５…送信部、６…受信部、７…出力部、８…制御部、１０…超音波センサ、１０ａ…第１の超音波センサ、１０ｂ…第２の超音波センサ、１０ｃ…第１の超音波センサ、第２の超音波センサ…１０ｄ、１０ｅ…第３の超音波センサ、１１…ケース、１１ａ…開口、１１ｂ…底部、１２…圧電素子、１３…接着剤、１４…第１のリード、１５…第２のリード、１６…第３のリード、１２１…圧電体板、１２１ａ…正極、１２１ｂ…負極、１２１ｂ’…折り返し電極、
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が流れる配管の上流側に配置された超音波センサと下流側に配置された超音波センサとの間で超音波の送受信を行って前記流体の状態を測定した測定結果に生じた異常を診断する診断方法であって、
１の超音波センサから所定の超音波信号を複数回送信させる送信ステップと、
他の超音波センサで受信した前記所定の超音波信号の波形を同期加算する同期加算ステップと、
この同期加算ステップによる演算結果に基づいて前記測定結果に生じた異常を診断する診断ステップと
有することを特徴とする診断方法。
【請求項２】
前記診断ステップは、
前記他の超音波センサで受信した前記所定の超音波信号のＳＮ比が同期加算することによって改善されたか否かに基づいて前記配管内に生じている異常を診断する
こと特徴とする請求項１記載の診断方法。
【請求項３】
前記送信ステップに先だって、前記超音波センサの異常の診断するステップ
をさらに備えることを特徴とする請求項１または２記載の診断方法。
【請求項４】
前記超音波センサは、前記配管の上流側に設けられた第１の超音波センサと、前記配管の下流側に設けられた第２の超音波センサとから構成され、
前記第１の超音波センサおよび前記第２の超音波センサは、前記１の超音波センサまたは前記他の超音波センサとして機能する
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の診断方法。
【請求項５】
前記超音波センサは、前記配管の上流側に設けられ、超音波を送信する第１の超音波センサと、前記配管の下流側に設けられ、超音波を送信する第２の超音波センサと、前記配管の流れ方向における前記第１の超音波センサと前記第２の超音波センサとの間に設けられ、超音波を受信する第３のセンサとから構成され、
前記第１の超音波センサおよび前記第２の超音波センサは、前記１の超音波センサとして機能し、
前記第３の超音波センサは、前記他の超音波センサとして機能する
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の診断方法。
【請求項６】
流体が流れる配管の上流側に配置された超音波センサと下流側に配置された超音波センサとの間で超音波の送受信を行って、前記流体の状態を測定する超音波測定装置であって、
１の超音波センサから所定の超音波信号を複数回送信させる送信手段と、
他の超音波センサで受信した前記所定の超音波信号の波形を同期加算する同期加算手段と、
この同期加算手段による演算結果に基づいて前記測定結果に生じた異常を診断する診断手段と
を備えることを特徴とする超音波測定装置。
【請求項１】
流体が流れる配管の上流側に配置された超音波センサと下流側に配置された超音波センサとの間で超音波の送受信を行って前記流体の状態を測定した測定結果に生じた異常を診断する診断方法であって、
１の超音波センサから所定の超音波信号を複数回送信させる送信ステップと、
他の超音波センサで受信した前記所定の超音波信号の波形を同期加算する同期加算ステップと、
この同期加算ステップによる演算結果に基づいて前記測定結果に生じた異常を診断する診断ステップと
有することを特徴とする診断方法。
【請求項２】
前記診断ステップは、
前記他の超音波センサで受信した前記所定の超音波信号のＳＮ比が同期加算することによって改善されたか否かに基づいて前記配管内に生じている異常を診断する
こと特徴とする請求項１記載の診断方法。
【請求項３】
前記送信ステップに先だって、前記超音波センサの異常の診断するステップ
をさらに備えることを特徴とする請求項１または２記載の診断方法。
【請求項４】
前記超音波センサは、前記配管の上流側に設けられた第１の超音波センサと、前記配管の下流側に設けられた第２の超音波センサとから構成され、
前記第１の超音波センサおよび前記第２の超音波センサは、前記１の超音波センサまたは前記他の超音波センサとして機能する
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の診断方法。
【請求項５】
前記超音波センサは、前記配管の上流側に設けられ、超音波を送信する第１の超音波センサと、前記配管の下流側に設けられ、超音波を送信する第２の超音波センサと、前記配管の流れ方向における前記第１の超音波センサと前記第２の超音波センサとの間に設けられ、超音波を受信する第３のセンサとから構成され、
前記第１の超音波センサおよび前記第２の超音波センサは、前記１の超音波センサとして機能し、
前記第３の超音波センサは、前記他の超音波センサとして機能する
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の診断方法。
【請求項６】
流体が流れる配管の上流側に配置された超音波センサと下流側に配置された超音波センサとの間で超音波の送受信を行って、前記流体の状態を測定する超音波測定装置であって、
１の超音波センサから所定の超音波信号を複数回送信させる送信手段と、
他の超音波センサで受信した前記所定の超音波信号の波形を同期加算する同期加算手段と、
この同期加算手段による演算結果に基づいて前記測定結果に生じた異常を診断する診断手段と
を備えることを特徴とする超音波測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−２０８０５７（Ｐ２０１２−２０８０５７Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７５０７９（Ｐ２０１１−７５０７９）
【出願日】平成２３年３月３０日（２０１１．３．３０）
【出願人】（０００００６６６６）アズビル株式会社 (1,808)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３０日（２０１１．３．３０）
【出願人】（０００００６６６６）アズビル株式会社 (1,808)
【Ｆターム（参考）】
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