超音波流量計
【課題】超音波トランスジューサ１０とは別に超音波トランスジューサを設けることなく、測定管の状態の変化を検出する超音波流量計を提供すること。
【解決手段】測定管２を流れる被測定流体ＦＬＤに入射された超音波信号ＣＴが超音波反射体ＰＴによって反射され、この反射された超音波信号ＣＨに基づいて被測定流体ＦＬＤの流速分布および流量を測定する超音波流量計１００において、過去の流量とこの流量に対応する過去の流速分布とを記憶する記憶部１１０と、過去の流量と現在の流量との差が所定値以下の場合、現在の流量に対応する現在の流速分布の任意の位置における流速に関連する値と、過去の流速分布の任意の位置における流速に関連する値との比較結果に基づいて測定管２の状態の変化を検出する測定管状態変化検出部１２０とを備えたこと特徴とするもの。
【解決手段】測定管２を流れる被測定流体ＦＬＤに入射された超音波信号ＣＴが超音波反射体ＰＴによって反射され、この反射された超音波信号ＣＨに基づいて被測定流体ＦＬＤの流速分布および流量を測定する超音波流量計１００において、過去の流量とこの流量に対応する過去の流速分布とを記憶する記憶部１１０と、過去の流量と現在の流量との差が所定値以下の場合、現在の流量に対応する現在の流速分布の任意の位置における流速に関連する値と、過去の流速分布の任意の位置における流速に関連する値との比較結果に基づいて測定管２の状態の変化を検出する測定管状態変化検出部１２０とを備えたこと特徴とするもの。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波流量計に関し、特に、測定管の状態の変化を検出する超音波流量計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
化学プラントなどの流量制御に用いられる流量計として超音波流量計が知られている。超音波流量計には、超音波反射体によって反射された超音波信号に対して相関演算を行い、流速分布および流量を求める反射相関方式を用いたものがある（特許文献１参照）。この反射相関方式による超音波流量計について、図６の構成図を用いて説明する。
【０００３】
図６において、測定管２には、矢印の方向に被測定流体ＦＬＤ（液体、気体、ガスなど）が流れる。被測定流体ＦＬＤの流量を測定する超音波流量計１は、超音波トランスジューサ１０、切換回路２０、切換制御部３０、送信回路４０、受信回路５０、Ａ／Ｄ変換回路６０、相関演算部７０、流速分布測定部８０、流量測定部９０、超音波トランスジューサ９１、切換回路９２、半径方向流速測定回路９３および流れ乱れ検出回路９４を備える。
【０００４】
超音波トランスジューサ１０は測定管２の外周に設けられ、超音波を発射するほか受信する機能を備え、その入出力端子は切換回路２０の一端Ｃに接続される。切換回路２０は一端Ｃと他端Ｓ、Ｒとを備え、一端Ｃは、切換制御部３０からの切換制御信号に応じて、他端Ｓ、Ｒのいずれか一方に接続される。
【０００５】
送信回路４０は、切換制御部３０からのトリガー制御信号を受け取り、この信号に応じて、超音波トランスジューサ１０から超音波ＣＴを発射させるトリガーとなる信号を、切換回路２０の他端Ｓに出力する。受信回路５０は、超音波トランスジューサ１０が受信した超音波信号ＣＨを切換回路２０の他端Ｒから受け取り、この信号を増幅する。
【０００６】
Ａ／Ｄ変換回路６０は、増幅された超音波信号を受信回路５０から受け取り、デジタル信号に変換する。相関演算部７０は、デジタル信号をＡ／Ｄ変換回路６０から受け取り、相関演算を行い、相関値を算出する。
【０００７】
流速分布測定部８０は、相関値を相関演算部７０から受け取り、流速分布を測定（算出）する。流量測定部９０は、流速分布を流速分布測定部８０から受け取り、被測定流体ＦＬＤの流量を測定（算出）して外部機器（図示しない）に出力、必要に応じて表示部（図示しない）に表示させる。
【０００８】
以下に、反射相関方式による流速分布の測定動作について説明する。切換制御部３０は、切換回路２０の一端Ｃと他端Ｓとを接続するため、切換回路２０に切換制御信号を出力する。切換回路２０は、切換制御信号に応じて一端Ｃと他端Ｓとを接続する。この後、切換制御部３０は、トリガー制御信号を送信回路４０に出力する。
【０００９】
送信回路４０は、トリガー制御信号に応じて、超音波トランスジューサ１０から超音波ＣＴを発射させるトリガーとなる信号を、切換回路２０の他端Ｓに出力する。トリガー制御信号は、切換回路２０の他端Ｓと一端Ｃを介して超音波トランスジューサ１０に入力される。
【００１０】
そして、後述する超音波信号ＣＨの受信に備えて、切換制御部３０は、切換回路２０の一端Ｃと他端Ｒとを接続するため、切換回路２０に切換制御信号を出力する。切換回路２０は、切換制御信号に応じて一端Ｃと他端Ｒとを接続する。
【００１１】
超音波トランスジューサ１０は、トリガー制御信号によって、超音波信号ＣＴを被測定流体ＦＬＤに発射する。被測定流体ＦＬＤに入射された超音波信号ＣＴは、被測定流体ＦＬＤ中の気泡、微粒子などの超音波反射体ＰＴによって反射される。
【００１２】
なお、超音波信号ＣＴの経路（一点鎖線）およびこの延長線の経路（点線）を測定線ＭＬとする。
【００１３】
超音波トランスジューサ１０は、反射された超音波信号ＣＨを受信し（以下、「反射超音波信号」という）、切換回路２０の一端Ｃに出力する。反射超音波信号は、切換回路２０の一端Ｃと他端Ｒを介して受信回路５０に入力される。
【００１４】
受信回路５０は反射超音波信号を増幅し、Ａ／Ｄ変換回路６０は、増幅された反射超音波信号（アナログ信号）を受信回路５０から受け取って、デジタル信号に変換する。
【００１５】
以上の超音波信号の発射、受信およびＡ／Ｄ変換を、所定の時間間隔を保って少なくとも２回以上行う。ここでは２回行うものとして説明をする。
【００１６】
相関演算部７０は、２つの反射超音波信号を変換したデジタル信号をＡ／Ｄ変換回路６０から受け取り、２つの信号の相互相関値を演算する。流速分布測定部８０は、相互相関値を相関演算部７０から受け取り、相互相関値を用いて測定線ＭＬ上の流速分布を算出する。
【００１７】
流量測定部９０は、流速分布を流速分布測定部８０から受け取り、流速分布を構成する流速を平均した平均流速（測定管２の管軸方向の平均流速）に測定管２内の断面積を乗算して、被測定流体ＦＬＤの流量（測定管２の管軸方向の流量）を算出する。
【００１８】
つぎに、測定管２に発生する詰まりなどについて説明する。測定管２の材質および被測定流体ＦＬＤの種類（例えば、腐食性の流体）によって、測定管２の内壁に錆が形成される場合がある。また、測定管２の内壁に測定流体ＦＬＤ中の固形物が付着し、堆積する場合がある。
【００１９】
測定管２の内壁に錆、付着が発生することによって、測定管２の内壁の面粗さが大きくなる（粗くなる）。また、錆、付着が多量になると、測定管２の内部が詰まる恐れがある。
【００２０】
超音波流量計１は、測定管２の詰まりを以下の動作によって検出する。超音波トランスジューサ９１は、送信回路４０から切換回路９２の端子ＳとＣを介して受け取ったトリガー制御信号に応じて、超音波信号を測定管２の管断面方向に発射する。
【００２１】
この超音波信号は、超音波反射体ＰＴによって反射され、この反射信号は超音波トランスジューサ９１によって受信される。超音波トランスジューサ９１は、受信した超音波信号を、切換回路９２の端子ＳとＲを介して半径方向流速測定回路９３に出力する。なお、切換回路９２の端子Ｓ、Ｒの切換えは、切換制御部３０からの切換制御信号に応じて行われる。
【００２２】
測定管２が詰まると、測定管２の管断面の半径方向の流速（以下、「偏流の流速」という）が大きくなる。そこで、半径方向流速測定回路９３は、測定管２の偏流の流速を測定し、流れ乱れ検出回路９４は、この偏流の流速から測定管２の詰まりを検出する。なお、特許文献２には、測定管の管断面方向の対向する位置に配置された複数の送受信超音波振動子を用いて測定された半径方向の流速から測定管の詰まりを検出する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２３】
【特許文献１】特許第３６６９５８０号公報
【特許文献２】特開２００５−１７２５４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
しかしながら、測定管２の詰まりを検出するには、被測定流体ＦＬＤの測定管２の管軸方向の流速分布を測定するために用いられる超音波トランスジューサ１０とは別に、偏流の流速を測定するために用いられる超音波トランスジューサ９１が必要となる。
【００２５】
このため、超音波トランスジューサ９１の費用（部品費）のほか、超音波トランスジューサ９１の測定管２への取り付け費用および工数を必要とする。
【００２６】
本発明の目的は、超音波トランスジューサ１０とは別に超音波トランスジューサを設けることなく、測定管の状態の変化を検出する超音波流量計を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
このような目的を達成するために、請求項１の発明は、
測定管を流れる被測定流体に入射された超音波信号が超音波反射体によって反射され、この反射された超音波信号に基づいて前記被測定流体の流速分布および流量を測定する超音波流量計において、
過去の流量とこの流量に対応する過去の流速分布とを記憶する記憶部と、
前記過去の流量と現在の流量との差が所定値以下の場合、前記現在の流量に対応する現在の流速分布の任意の位置における流速に関連する値と、前記過去の流速分布の前記任意の位置における流速に関連する値との比較結果に基づいて前記測定管の状態の変化を検出する測定管状態変化検出部と
を備えたこと特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載の発明において、
前記流速に関連する値は、前記流速の値または前記流速と前記流量との比率の少なくともいずれか一つであることを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の発明において、
前記記憶手段に記憶された過去の流量および過去の流速分布は、前記超音波流量計を設置した後の初期状態時に記憶されたことを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項１または２に記載の発明において、
前記記憶手段に記憶された過去の流量および過去の流速分布は、現在より所定時間前に記憶されたことを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項１から４のいずれか一項に記載の発明において、
前記比較結果が異常診断値以上の場合、前記測定管の状態は異常と診断する異常診断部を備えたこと特徴とする。
請求項６の発明は、１から５のいずれか一項に記載の発明において、
前記測定管の状態は、前記測定管の錆、付着、面粗さまたは詰まりの少なくともいずれか一つであること特徴とする。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、過去の流量とこの流量に対応する過去の流速分布とが記憶され、測定管状態変化検出部が、前記過去の流量と現在の流量との差が所定値以下の場合、前記現在の流量に対応する現在の流速分布の任意の位置における流速に関連する値と、前記過去の流速分布の前記任意の位置における流速に関連する値との比較結果に基づいて測定管の状態の変化を検出することによって、超音波トランスジューサ１０とは別に超音波トランスジューサを設けることなく、測定管の状態の変化を検出することができる。
【００２９】
これにともない、超音波トランスジューサの費用（部品費）、および超音波トランスジューサの測定管への取り付け費用と工数を削減できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明を適用した超音波流量計の構成図の例である。
【図２】測定管の内壁の面粗さが小さい場合と大きい場合の流速分布を表すグラフの例である。
【図３】記憶部に記憶された過去の流量ＫＱと過去の流速分布ＫＶを示した表の例である。
【図４】本発明を適用した超音波流量計の動作フローチャート図の例である。
【図５】本発明を適用した超音波流量計の構成図の他の例である。
【図６】背景技術で示した超音波流量計の構成図の例である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
［第１の実施例］
第１の実施例について図１を用いて説明する。図１は、本発明に係る超音波流量計１００の構成図である。
【００３２】
図１において、超音波流量計１００は、図６の超音波流量計１から超音波トランスジューサ９１、切換回路９２、半径方向流速測定回路９３および流れ乱れ検出回路９４を無くし、記憶部１１０、測定管状態変化検出部１２０、記憶指示部１３０、計数部１４０、出力部１５０および表示部１６０を加えた構成である。また、測定管状態変化検出部１２０は、比較部１２１および比率演算部１２２を備える。
【００３３】
以下、超音波流量計１００の説明をするが、図６の超音波流量計１と同一の構成要素は同一符号を付し、この説明は省略する。
【００３４】
記憶部１１０は、流速分布測定部８０から流速分布（正確には、流速分布を構成する流速）、および流量測定部９０から流量を受け取り、過去の流速分布ＫＶおよび過去の流量ＫＱとして記憶する。なお、記憶部１１０は、記憶指示部１３０から記憶指示信号ＭＳを受け取り、この信号に応じて記憶する。
【００３５】
記憶指示部１３０は、外部から外部指示信号ＥＸＴまたは計数部１４０から記憶指示トリガー信号を受け取り、これらの信号に応じて記憶指示信号ＭＳを記憶部１１０へ出力する。
【００３６】
測定管状態変化検出部１２０は、流速分布測定部８０から現在の流速分布ＧＶ、流量測定部９０から現在の流量ＧＱ、および記憶部１１０から過去の流速分布ＫＶと過去の流量ＫＱを受け取る。
【００３７】
そして、測定管状態変化検出部１２０は、受け取ったデータに基づいて検出した測定管２の状態の変化を、出力部１５０および表示部１６０に出力する。
【００３８】
なお、測定線ＭＬの管断面方向の位置を、一方の内壁から他方の内壁へ向けてｄ０（測定管２の一方の内壁）、ｄ１、ｄ２、ｄ３（中央部）、ｄ４、ｄ５、ｄ６（他方の内壁）と表した。
【００３９】
つぎに、流速分布測定部８０によって測定された被測定流体ＦＬＤの流速分布が、測定管２の内壁の状態に応じて変化することを、図２を用いて説明する。図２は、測定管２の内壁の面粗さが小さい場合の流速分布Ａ（以下、「流速分布Ａ」という）および面粗さが大きい場合の流速分布Ｂ（以下、「流速分布Ｂ」という）を表すグラフである。
【００４０】
面粗さは、流速分布Ａより流速分布Ｂの場合の方が粗い。なお、流速分布Ａの流量と流速分布Ｂの流量とは、同じ流量である。
【００４１】
図２は、測定線ＭＬの位置ｄ０〜ｄ３における流速分布を表している。なお、図示していないが、ｄ３〜ｄ６における流速分布は、ｄ３の縦軸に対して左右対称形となる。
【００４２】
図２において、流速分布Ａは、例えば、超音波流量計１００を測定管２に設置した後の初期状態、すなわち、設置後、まだ化学プラントの流量制御などを開始していない状態での流速分布を表す。このような状態では、測定管２は新しく、被測定流体ＦＬＤも頻繁に流れていないので、測定管２の内壁の面粗さが小さい（流速分布Ｂの場合より粗くない）。
【００４３】
一方、流量制御などを開始されて、被測定流体ＦＬＤが頻繁に流れて時間が経過すると、測定管２の内壁に錆が形成され、また測定流体ＦＬＤ中の固形物が付着し、堆積するので、測定管２の内壁の面粗さが大きくなる（流速分布Ａの場合より粗くなる）。
【００４４】
流速分布Ｂの場合の内壁ｄ０の摩擦力は、流速分布Ａの場合と比較して小さくなるので、内壁ｄ０付近の流速分布Ｂは、流速分布Ａより大きくなって立ち上がりが速い。一方、流速分布Ａと流速分布Ｂの流量は同じなので、流速分布Ｂは、内壁ｄ０付近で流速分布Ａより大きくなった分、中央部ｄ３付近では流速分布Ａより小さくなる。
【００４５】
また、図示していないが、測定管２が詰まった場合、流速分布Ｂは、内壁ｄ０付近では流速分布Ａより小さくなって立ち上がりが遅くなるが、中央部ｄ３付近では流速分布Ａより大きくなる。
【００４６】
このように、測定管２の内壁の面粗さが変化した場合または測定管２が詰まった場合のいずれにおいても、図２の流速分布Ａと流速分布Ｂとは異なった曲線（流速の値）となる。すなわち、詳細は後述するが、測定管状態変化検出部１２０が、流速分布Ａと流速分布Ｂとを比較し差を検出すれば、測定管２の内壁の面粗さの変化または詰まりなどの測定管２の状態の変化を検出することができる。
【００４７】
つぎに、記憶部１１０は、過去の流量ＫＱとこの流量に対応する過去の流速分布ＫＶとを記憶するので、この記憶されたデータについて図３を用いて説明する。図３は、記憶部１１０に記憶された過去の流量ＫＱと過去の流速分布ＫＶを表す。
【００４８】
図３において、記憶部１１０は、過去の任意の流量ＫＱ０と、この流量（ＫＱ０）に対応する流速分布ＫＶを構成する測定線ＭＬの各位置ｄ０〜ｄ６における流速ＫＶ０ｄ０〜ＫＶ０ｄ６を記憶している。
【００４９】
同様に、過去の任意の流量ＫＱ１、ＫＱ２、ＫＱ３と、これらの流量にそれぞれ対応する流速分布ＫＶを構成する流速ＫＶ１ｄ０〜ＫＶ１ｄ６、ＫＶ２ｄ０〜ＫＶ２ｄ６、ＫＶ３ｄ０〜ＫＶ３ｄ６が記憶されている。なお、図３には、過去の流量はＫＱ０〜ＫＱ３の４個を、また流速分布ＫＶはｄ０〜ｄ６の７個を示したが、この個数より多くても少なくてもい。
【００５０】
つぎに、超音波流量計１００の動作について図４を用いて説明する。図４は、超音波流量計１００の動作フローチャート図である。
【００５１】
まず、前述した超音波流量計１００を測定管２に設置した後の初期状態時を過去の時とし、過去および現在の流速分布の流速に関連する値は、流速分布を構成する流速の値（例えば、図３に示した流速値）として説明する。また、図２の流速分布Ａは過去の流速分布、流速分布Ｂは現在の流速分布として説明する。
【００５２】
図４のステップＳ１０において、相関演算部７０は、２つの反射超音波信号の相互相関値を算出する。ステップＳ２０において、流速分布測定部８０は、相互相関値を用いて測定線ＭＬ上の流速分布を算出する。ステップＳ３０において、流量測定部９０は、流速分布から被測定流体ＦＬＤの流量を算出する。なお、ステップＳ１０〜Ｓ３０は、図６において説明した相関演算部７０、流速分布測定部８０および流量測定部９０の動作と同じである。
【００５３】
そして、超音波流量計１００を設置した後の初期状態時に、ユーザが外部指示信号ＥＸＴを記憶指示部１３０に入力した場合、記憶部１１０は、記憶指示部１３０から記憶指示信号ＭＳを受け取り（ステップＳ４０の「はい」）、ステップＳ５０に移行する。
【００５４】
ステップＳ５０において、記憶部１１０は、ステップＳ３０、Ｓ２０で算出された流量および流速分布を、過去の流量（例えばＫＱ０）および過去の流速分布（例えばＫＶ０ｄ０〜ＫＶ０ｄ６）として、図３に示したように記憶する。
【００５５】
その後、ステップＳ１０に戻り、図３に示した過去の流量ＫＱおよび過去の流速分布ＫＶの各値が記憶されるまで繰り返す。
【００５６】
この繰り返しが終わった後、記憶指示信号ＭＳが無ければ（ステップＳ４０の「いいえ」）、ステップＳ６０に移行する。
【００５７】
ステップＳ６０において、測定管状態変化検出部１２０は、流量測定部９０によって測定された流量を現在の流量ＧＱとして受け取り、流速分布測定部８０によって測定された流速分布を現在の流速分布ＧＶとして受け取るとともに、記憶部１１０から過去の流量ＫＱ０および過去の流速分布ＫＶ０ｄ０〜ＫＶ０ｄ６を読み込む。
【００５８】
比較部１２１は、過去の流量ＫＱ０と現在の流量ＧＱとを比較し、過去の流量ＫＱ０と現在の流量ＧＱとの差の絶対値が、所定値以下または所定値より小さいか否かを判断する。ここで、所定値は、例えば、超音波流量計１００の流量の測定精度値または測定流量の揺動値などである。
【００５９】
以下に、過去の流量ＫＱ１と現在の流量ＧＱとが同じ値の場合について説明する。この場合、過去の流量ＫＱ０と現在の流量ＧＱとの差の絶対値は所定値以上なので（ステップＳ６０の「いいえ」）、測定管状態変化検出部１２０は、記憶部１１０から過去の流量ＫＱ１および過去の流速分布ＫＶ１ｄ０〜ＫＶ１ｄ６を読み込み、ステップＳ６０を再度実行する。
【００６０】
過去の流量ＫＱ１は現在の流量ＧＱと同じなのでステップＳ７０へ移行する（ステップＳ６０の「はい」）。
【００６１】
ステップＳ７０において、比較部１２１は、過去の流量ＫＱ１に対応する測定線ＭＬの位置ｄ３（測定管２の中央部）における過去の流速ＫＶ１ｄ３（流速に関連する値）と、現在の流量ＧＱに対応する位置ｄ３における現在の流速ＧＶｄ３（流速に関連する値）とを比較する。
【００６２】
測定管２の内壁の面粗さが大きく（粗く）なって面粗さの状態が変化していれば、図２に示すように、過去の流速ＫＶ１ｄ３（流速分布Ａのｄ３での流速）と現在の流速ＧＶｄ３（流速分布Ｂのｄ３での流速）とは異なるので（流速ＫＶ１ｄ３＞流速ＧＶｄ３）、比較結果として両者は不一致となり（ステップＳ７０の「不一致」）、ステップＳ８０に移行する。
【００６３】
ステップＳ８０において、測定管状態変化検出部１２０は、測定管２の状態の変化として、面粗さが大きく（粗く）なったことを検出する。
【００６４】
また、測定管２が詰まった場合、過去の流速ＫＶ１ｄ３＜現在の流速ＧＶｄ３となり両者は不一致なので、測定管状態変化検出部１２０は、測定管２の状態の変化として、測定管２が詰まったことを検出する。
【００６５】
そして、ステップＳ９０において、測定管状態変化検出部１２０は、面粗さの状態の変化、詰まりなどの測定管２の状態の変化を出力部１５０に出力、表示部１６０に表示させる。測定管２の状態の変化のほか、過去の流速ＫＶ１ｄ３と現在の流速ＧＶｄ３との差を出力、表示させてもよい。
【００６６】
また、ステップＳ７０において、比較部１２１は、位置ｄ３における過去の流速ＫＶ１ｄ３と現在の流速ＧＶｄ３とを比較したが、この位置に限られず、測定管２の状態の変化によって過去と現在の流速の差が現れる任意の位置で比較してもよい。例えば、図２に示したように、過去と現在の流速の差が大きい測定管２の内壁ｄ０付近における過去と現在の流速を比較してもよい。
【００６７】
任意の位置は複数であってもよく、複数であれば、より正確に測定管２の状態の変化を検出できる。また、任意の位置が一つの場合には、測定管状態変化検出部１２０の演算処理速度の向上および演算処理時間の短縮をすることができる。
【００６８】
なお、面粗さの状態が変化していなければ、過去の流速ＫＶ１ｄ３と現在の流速ＧＶｄ３とは一致するので（ステップＳ７０の「一致」）、ステップＳ８０、Ｓ９０を実行せず終了する。
【００６９】
このような構成および動作によって以下のことを実現できる。記憶部１１０が、超音波流量計１００を測定管２に設置した後の初期状態時（過去）の流量ＫＱとこの流量に対応するの流速分布ＫＶとを記憶する。
【００７０】
そして、測定管状態変化検出部１２０が、過去の流量（例えばＫＱ１）と現在の流量ＧＱとが同じ場合、現在の流量ＧＱに対応する現在の流速分布の任意の位置（例えばｄ３）における流速の値（例えばＧＶｄ３）と、過去の流速分布の任意の位置（例えばｄ３）における流速の値（例えばＫＶ１ｄ３）とを比較する。
【００７１】
比較した結果が不一致であれば、超音波流量計１００を設置した後の初期状態時からの測定管２の状態の変化（例えば、面粗さの状態の変化、詰まり）を検出することによって、超音波トランスジューサ１０とは別に超音波トランスジューサを設けることなく、測定管の状態の変化を検出することができる。
【００７２】
これにともない、超音波トランスジューサの費用（部品費）、および超音波トランスジューサの測定管への取り付け費用と工数を削減できる。
【００７３】
また、過去の流速ＫＶ１ｄ３と現在の流速ＧＶｄ３との差を出力、表示させることによって、ユーザーなどは差の大きさを知ることができるので、面粗さまたは詰まりなどの測定管２の状態の変化の度合いを知ることができるとともに、変化の度合いの予測が可能となる。
【００７４】
なお、ステップＳ７０において、過去の流速ＫＶ１ｄ３と現在の流速ＧＶｄ３との差の絶対値が所定値（例えば、ノイズが重畳した場合の流速値の変化量（ノイズによる変動を除去する所定のヒステリシス値））以上の場合、ステップＳ８０に移行してもよい。これによって、超音波流量計１００に混入したノイズなどによるステップＳ７０における誤判定を防止できる。
【００７５】
つぎに、過去および現在の流速分布の測定線ＭＬの位置における流速に関連する値を、流速と流量との比率（＝流速／流量）とした場合の動作について図４を用いて説明する。なお、図４のステップのうち、上述した動作と異なる動作のみ説明する。
【００７６】
図４のステップＳ６０において、現在の流量ＧＶが、流量測定精度範囲内の誤差または測定流量の揺動による誤差を有する場合、過去の流量ＫＱ１と現在の流量ＧＱとは一致しないが、過去の流量ＫＱ１と現在の流量ＧＱとの差の絶対値は、所定値以下または所定値より小さいので、ステップＳ７０へ移行する。
【００７７】
この場合、過去の流量ＫＱ１と現在の流量ＧＱとは一致せず差があり、この流量差による流速の差が生じるため、ステップＳ７０において、過去と現在の流速同士を比較すると、測定管２の状態の検出が正確にできない場合がある。
【００７８】
このため、この流量差の影響を除去するために、流速に関連する値として、流速と流量との比率（流速を流量で除算した値）を用いればよい。過去の流速と過去の流量との比率ＫＲ（以下、「過去の比率」という）は、例えば、過去の流速ＫＶ１ｄ３と過去の流量ＫＱ１との比率（＝ＫＶ１ｄ３／ＫＱ１）であり、現在の流速と現在の流量との比率ＧＲ（以下、「現在の比率」という）は、例えば、現在の流速ＧＶｄ３と現在の流量ＧＱとの比率（＝ＧＶｄ３／ＧＱ）である。
【００７９】
ステップＳ７０において、比率演算部１２２は、過去の比率ＫＲと現在の比率ＧＲを算出し、測定管状態変化検出部１２０は、過去の比率ＫＲと現在の比率ＧＲとを比較し不一致であれば（ステップＳ７０の「不一致」）、測定管２の状態の変化として、面粗さが大きく（粗く）または詰まったことを検出する（ステップＳ８０）。
【００８０】
このような構成および動作によって以下のことを実現できる。現在の流量ＧＶが、流量測定精度範囲内の誤差または測定流量の揺動による誤差を有しても、過去の流量（例えばＫＱ１）と現在の流量ＧＱとの差が所定値以下の場合、測定管状態変化検出部１２０が、過去の比率ＫＲと現在の比率ＧＲとを比較することによって、過去と現在の流量差の影響を除去して測定管２の状態の変化を検出することができる。
【００８１】
なお、ステップＳ７０において、流速の値の比較と、比率の比較の両方を行ってもよい。これによって、より正確に測定管２の状態の変化を検出することができる。
【００８２】
また、図３の記憶部１１０に、過去の流量ＫＱおよび過去の流速分布ＫＶの各値毎に、比率演算部１２２によってそれぞれ算出された過去の比率ＫＲを予め記憶しておいてもよい。これによって、ステップＳ７０において、測定管状態変化検出部１２０は予め記憶された過去の比率ＫＲを読み出せばよく、比率演算部１２２は、ステップＳ７０を実行する度に過去の比率ＫＲを算出する必要は無く、演算処理速度の向上および演算処理時間の短縮をすることができる。
【００８３】
なお、ステップＳ７０において、過去の比率ＫＲと現在の比率ＧＲとの差の絶対値が所定値（例えば、ノイズが重畳した場合の比率の変化量（ノイズによる変動を除去する所定のヒステリシス値））以上の場合、ステップＳ８０に移行してもよい。これによって、超音波流量計１００に混入したノイズなどによるステップＳ７０における誤判定を防止できる。
【００８４】
つぎに、現在より所定時間前を過去の時とした場合の動作について説明する。
【００８５】
図１において、タイマーまたはカウンタなどを備える計数部１４０は、記憶指示トリガー信号を一定の周期（例えば、１週間、１か月など）で記憶指示部１３０へ出力する。記憶指示部１３０は、記憶指示トリガー信号に応じて記憶指示信号ＭＳを記憶部１１０へ出力する。以下に、図４のステップのうち、上述した動作と異なる動作のみ説明する。
【００８６】
図４のステップＳ４０において、記憶部１１０は、一定の周期で記憶指示信号ＭＳを受け取った後ステップＳ５０に移行して、図２に示したように、過去の流量ＫＱと過去の流速分布ＫＶを記憶する。このため、記憶部１１０には、過去の流量ＫＱと過去の流速分布ＫＶとして、現在より所定時間前（例えば、所定時間は現在から前回の記憶時までの時間）の流量と流速分布を記憶する。
【００８７】
このような構成および動作によって以下のことを実現できる。被測定流体ＦＬＤの種類（例えば、腐食性の流体）または多量の固形物によって、急激に面粗さが大きくなる（粗くなる）または詰まる場合において、測定管状態変化検出部１２０が、現在より所定時間前（過去）の流速の値または比率と、現在の流速の値または比率とを比較することによって、急激な状態の変化に対応して測定管２の状態の変化を定期的に検出することができる。
【００８８】
また、記憶指示トリガー信号の一定の周期は、ユーザーによって変更することができ、これによって、面粗さまたは詰まりの進行速度に対応して、より適切な状態の変化を検出することができる。
【００８９】
［第２の実施例］
第２の実施例について図５を用いて説明する。図５は、本発明に係る超音波流量計２００の構成図である。
【００９０】
図５において、超音波流量計２００は、図１の超音波流量計１００に異常診断部２１０を加えた構成である。
【００９１】
異常診断部２１０は、測定管状態変化検出部１２０から比較結果を受け取り、測定管２の状態が異常が否かを判断し、この判断結果を出力部１５０に出力、表示部１６０に表示させる。以下に、異常診断部２１０の動作について図４を用いて説明する。なお、図４のステップのうち、上述した動作と異なる動作のみ説明する。
【００９２】
図４のステップＳ８０において、異常診断部２１０は、測定管状態変化検出部１２０の比較結果である、過去の流速ＫＶ１ｄ３と現在の流速ＧＶｄ３との差の絶対値を受け取る。
【００９３】
異常診断部２１０は、受け取った差の絶対値を予め定めた異常診断値と比較し、この絶対値が異常診断値以上または異常診断値より大きければ、測定管２の面粗さが非常に大きいまたは多量の詰まりがあって、測定管２の状態は異常であると診断する。
【００９４】
ステップＳ９０において、異常診断部２１０は、例えばアラームとして、測定管２の異常状態を出力部１５０に出力、表示部１６０に表示させる。
【００９５】
なお、測定管状態変化検出部１２０の比較結果として、過去の比率ＫＲと現在の比率ＧＲとの差の絶対値を用いてもよい。また、より正確に測定管２の異常状態を検出するために、異常診断値との比較対象には、流速の差と比率の差の両方を用いてもよい。
【００９６】
このような構成および動作によって以下のことを実現できる。異常診断部２１０は、測定管状態変化検出部１２０の比較結果を異常診断値と比較し、異常診断値以上または異常診断値より大きければ、測定管２の状態は異常であると診断する。これによって、ユーザーは、測定管２の面粗さが非常に大きいまたは多量の詰まりがあることを知ることができ、測定管２の交換および材質の見直しをすることができて、メンテナンスが容易となる。
【００９７】
また、異常診断部２１０は、比較結果である流速の差または比率の差の大きさによって、面粗さまたは詰まりの度合いを診断し、この度合いを出力部１５０に出力、表示部１６０に表示させてもよい。
【００９８】
例えば、異常診断部２１０は、流速の差または比率の差が小さければ「粗さ度１（少し粗い）」、差が中くらいであれば「粗さ度２（やや粗い）」、差が大きければ「粗さ度３（とても粗い）」というように、度合いを診断する。
【００９９】
このような異常診断部２１０の動作によって、ユーザーは、測定管２の面粗さまたは詰まりの度合いを知ることができ、流量測定不能になる前に予防診断として、測定管２の交換および材質の見直しをすることができる。また、予知診断として、今後の度合いの変化の予測が可能となって、メンテナンスが容易となる。
【０１００】
なお、測定管２の状態は、測定管２の錆、固形物の付着、面粗さまたは詰まりを例にして説明したが、測定管２の内壁の破損などの他の例であってもよい。
【０１０１】
なお、超音波流量計１００、２００は、反射相関方式の超音波流量計について説明したが、超音波反射体ＰＴによって反射された反射超音波信号ＣＨを用いるドップラー方式の超音波流量計であってもよい。
【０１０２】
また、比率演算部１２２は、測定管状態変化検出部１２０と別に設けてもよく、異常診断部２１０は、測定管状態変化検出部１２０内部に設けてもよい。
【０１０３】
切換制御部３０、相関演算部７０、流速分布測定部８０、流量測定部９０、測定管状態変化検出部１２０、比較部１２１、比率演算部１２２、記憶指示部１３０、計数部１４０および異常診断部２１０は、プログラムを実行するＣＰＵなどのプロセッサによって実現されてもよく、論理回路などによって実現されてもよい。
【０１０４】
なお、本発明は、前述の実施例に限定されることなく、その本質を逸脱しない範囲で、さらに多くの変更および変形を含む。また、前述した各部の組み合わせ以外の組み合わせを含むことができる。
【符号の説明】
【０１０５】
１０ 超音波トランスジューサ
２０ 切換回路
３０ 切換制御部
４０ 送信回路
５０ 受信回路
６０ Ａ／Ｄ変換回路
７０ 相関演算部
８０ 流速分布測定部
９０ 流量測定部
１００、２００ 超音波流量計
１１０ 記憶部
１２０ 測定管状態変化検出部
１２１ 比較部
１２２ 比率演算部
１３０ 記憶指示部
１４０ 計数部
２１０ 異常診断部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波流量計に関し、特に、測定管の状態の変化を検出する超音波流量計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
化学プラントなどの流量制御に用いられる流量計として超音波流量計が知られている。超音波流量計には、超音波反射体によって反射された超音波信号に対して相関演算を行い、流速分布および流量を求める反射相関方式を用いたものがある（特許文献１参照）。この反射相関方式による超音波流量計について、図６の構成図を用いて説明する。
【０００３】
図６において、測定管２には、矢印の方向に被測定流体ＦＬＤ（液体、気体、ガスなど）が流れる。被測定流体ＦＬＤの流量を測定する超音波流量計１は、超音波トランスジューサ１０、切換回路２０、切換制御部３０、送信回路４０、受信回路５０、Ａ／Ｄ変換回路６０、相関演算部７０、流速分布測定部８０、流量測定部９０、超音波トランスジューサ９１、切換回路９２、半径方向流速測定回路９３および流れ乱れ検出回路９４を備える。
【０００４】
超音波トランスジューサ１０は測定管２の外周に設けられ、超音波を発射するほか受信する機能を備え、その入出力端子は切換回路２０の一端Ｃに接続される。切換回路２０は一端Ｃと他端Ｓ、Ｒとを備え、一端Ｃは、切換制御部３０からの切換制御信号に応じて、他端Ｓ、Ｒのいずれか一方に接続される。
【０００５】
送信回路４０は、切換制御部３０からのトリガー制御信号を受け取り、この信号に応じて、超音波トランスジューサ１０から超音波ＣＴを発射させるトリガーとなる信号を、切換回路２０の他端Ｓに出力する。受信回路５０は、超音波トランスジューサ１０が受信した超音波信号ＣＨを切換回路２０の他端Ｒから受け取り、この信号を増幅する。
【０００６】
Ａ／Ｄ変換回路６０は、増幅された超音波信号を受信回路５０から受け取り、デジタル信号に変換する。相関演算部７０は、デジタル信号をＡ／Ｄ変換回路６０から受け取り、相関演算を行い、相関値を算出する。
【０００７】
流速分布測定部８０は、相関値を相関演算部７０から受け取り、流速分布を測定（算出）する。流量測定部９０は、流速分布を流速分布測定部８０から受け取り、被測定流体ＦＬＤの流量を測定（算出）して外部機器（図示しない）に出力、必要に応じて表示部（図示しない）に表示させる。
【０００８】
以下に、反射相関方式による流速分布の測定動作について説明する。切換制御部３０は、切換回路２０の一端Ｃと他端Ｓとを接続するため、切換回路２０に切換制御信号を出力する。切換回路２０は、切換制御信号に応じて一端Ｃと他端Ｓとを接続する。この後、切換制御部３０は、トリガー制御信号を送信回路４０に出力する。
【０００９】
送信回路４０は、トリガー制御信号に応じて、超音波トランスジューサ１０から超音波ＣＴを発射させるトリガーとなる信号を、切換回路２０の他端Ｓに出力する。トリガー制御信号は、切換回路２０の他端Ｓと一端Ｃを介して超音波トランスジューサ１０に入力される。
【００１０】
そして、後述する超音波信号ＣＨの受信に備えて、切換制御部３０は、切換回路２０の一端Ｃと他端Ｒとを接続するため、切換回路２０に切換制御信号を出力する。切換回路２０は、切換制御信号に応じて一端Ｃと他端Ｒとを接続する。
【００１１】
超音波トランスジューサ１０は、トリガー制御信号によって、超音波信号ＣＴを被測定流体ＦＬＤに発射する。被測定流体ＦＬＤに入射された超音波信号ＣＴは、被測定流体ＦＬＤ中の気泡、微粒子などの超音波反射体ＰＴによって反射される。
【００１２】
なお、超音波信号ＣＴの経路（一点鎖線）およびこの延長線の経路（点線）を測定線ＭＬとする。
【００１３】
超音波トランスジューサ１０は、反射された超音波信号ＣＨを受信し（以下、「反射超音波信号」という）、切換回路２０の一端Ｃに出力する。反射超音波信号は、切換回路２０の一端Ｃと他端Ｒを介して受信回路５０に入力される。
【００１４】
受信回路５０は反射超音波信号を増幅し、Ａ／Ｄ変換回路６０は、増幅された反射超音波信号（アナログ信号）を受信回路５０から受け取って、デジタル信号に変換する。
【００１５】
以上の超音波信号の発射、受信およびＡ／Ｄ変換を、所定の時間間隔を保って少なくとも２回以上行う。ここでは２回行うものとして説明をする。
【００１６】
相関演算部７０は、２つの反射超音波信号を変換したデジタル信号をＡ／Ｄ変換回路６０から受け取り、２つの信号の相互相関値を演算する。流速分布測定部８０は、相互相関値を相関演算部７０から受け取り、相互相関値を用いて測定線ＭＬ上の流速分布を算出する。
【００１７】
流量測定部９０は、流速分布を流速分布測定部８０から受け取り、流速分布を構成する流速を平均した平均流速（測定管２の管軸方向の平均流速）に測定管２内の断面積を乗算して、被測定流体ＦＬＤの流量（測定管２の管軸方向の流量）を算出する。
【００１８】
つぎに、測定管２に発生する詰まりなどについて説明する。測定管２の材質および被測定流体ＦＬＤの種類（例えば、腐食性の流体）によって、測定管２の内壁に錆が形成される場合がある。また、測定管２の内壁に測定流体ＦＬＤ中の固形物が付着し、堆積する場合がある。
【００１９】
測定管２の内壁に錆、付着が発生することによって、測定管２の内壁の面粗さが大きくなる（粗くなる）。また、錆、付着が多量になると、測定管２の内部が詰まる恐れがある。
【００２０】
超音波流量計１は、測定管２の詰まりを以下の動作によって検出する。超音波トランスジューサ９１は、送信回路４０から切換回路９２の端子ＳとＣを介して受け取ったトリガー制御信号に応じて、超音波信号を測定管２の管断面方向に発射する。
【００２１】
この超音波信号は、超音波反射体ＰＴによって反射され、この反射信号は超音波トランスジューサ９１によって受信される。超音波トランスジューサ９１は、受信した超音波信号を、切換回路９２の端子ＳとＲを介して半径方向流速測定回路９３に出力する。なお、切換回路９２の端子Ｓ、Ｒの切換えは、切換制御部３０からの切換制御信号に応じて行われる。
【００２２】
測定管２が詰まると、測定管２の管断面の半径方向の流速（以下、「偏流の流速」という）が大きくなる。そこで、半径方向流速測定回路９３は、測定管２の偏流の流速を測定し、流れ乱れ検出回路９４は、この偏流の流速から測定管２の詰まりを検出する。なお、特許文献２には、測定管の管断面方向の対向する位置に配置された複数の送受信超音波振動子を用いて測定された半径方向の流速から測定管の詰まりを検出する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２３】
【特許文献１】特許第３６６９５８０号公報
【特許文献２】特開２００５−１７２５４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
しかしながら、測定管２の詰まりを検出するには、被測定流体ＦＬＤの測定管２の管軸方向の流速分布を測定するために用いられる超音波トランスジューサ１０とは別に、偏流の流速を測定するために用いられる超音波トランスジューサ９１が必要となる。
【００２５】
このため、超音波トランスジューサ９１の費用（部品費）のほか、超音波トランスジューサ９１の測定管２への取り付け費用および工数を必要とする。
【００２６】
本発明の目的は、超音波トランスジューサ１０とは別に超音波トランスジューサを設けることなく、測定管の状態の変化を検出する超音波流量計を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
このような目的を達成するために、請求項１の発明は、
測定管を流れる被測定流体に入射された超音波信号が超音波反射体によって反射され、この反射された超音波信号に基づいて前記被測定流体の流速分布および流量を測定する超音波流量計において、
過去の流量とこの流量に対応する過去の流速分布とを記憶する記憶部と、
前記過去の流量と現在の流量との差が所定値以下の場合、前記現在の流量に対応する現在の流速分布の任意の位置における流速に関連する値と、前記過去の流速分布の前記任意の位置における流速に関連する値との比較結果に基づいて前記測定管の状態の変化を検出する測定管状態変化検出部と
を備えたこと特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載の発明において、
前記流速に関連する値は、前記流速の値または前記流速と前記流量との比率の少なくともいずれか一つであることを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の発明において、
前記記憶手段に記憶された過去の流量および過去の流速分布は、前記超音波流量計を設置した後の初期状態時に記憶されたことを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項１または２に記載の発明において、
前記記憶手段に記憶された過去の流量および過去の流速分布は、現在より所定時間前に記憶されたことを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項１から４のいずれか一項に記載の発明において、
前記比較結果が異常診断値以上の場合、前記測定管の状態は異常と診断する異常診断部を備えたこと特徴とする。
請求項６の発明は、１から５のいずれか一項に記載の発明において、
前記測定管の状態は、前記測定管の錆、付着、面粗さまたは詰まりの少なくともいずれか一つであること特徴とする。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、過去の流量とこの流量に対応する過去の流速分布とが記憶され、測定管状態変化検出部が、前記過去の流量と現在の流量との差が所定値以下の場合、前記現在の流量に対応する現在の流速分布の任意の位置における流速に関連する値と、前記過去の流速分布の前記任意の位置における流速に関連する値との比較結果に基づいて測定管の状態の変化を検出することによって、超音波トランスジューサ１０とは別に超音波トランスジューサを設けることなく、測定管の状態の変化を検出することができる。
【００２９】
これにともない、超音波トランスジューサの費用（部品費）、および超音波トランスジューサの測定管への取り付け費用と工数を削減できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明を適用した超音波流量計の構成図の例である。
【図２】測定管の内壁の面粗さが小さい場合と大きい場合の流速分布を表すグラフの例である。
【図３】記憶部に記憶された過去の流量ＫＱと過去の流速分布ＫＶを示した表の例である。
【図４】本発明を適用した超音波流量計の動作フローチャート図の例である。
【図５】本発明を適用した超音波流量計の構成図の他の例である。
【図６】背景技術で示した超音波流量計の構成図の例である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
［第１の実施例］
第１の実施例について図１を用いて説明する。図１は、本発明に係る超音波流量計１００の構成図である。
【００３２】
図１において、超音波流量計１００は、図６の超音波流量計１から超音波トランスジューサ９１、切換回路９２、半径方向流速測定回路９３および流れ乱れ検出回路９４を無くし、記憶部１１０、測定管状態変化検出部１２０、記憶指示部１３０、計数部１４０、出力部１５０および表示部１６０を加えた構成である。また、測定管状態変化検出部１２０は、比較部１２１および比率演算部１２２を備える。
【００３３】
以下、超音波流量計１００の説明をするが、図６の超音波流量計１と同一の構成要素は同一符号を付し、この説明は省略する。
【００３４】
記憶部１１０は、流速分布測定部８０から流速分布（正確には、流速分布を構成する流速）、および流量測定部９０から流量を受け取り、過去の流速分布ＫＶおよび過去の流量ＫＱとして記憶する。なお、記憶部１１０は、記憶指示部１３０から記憶指示信号ＭＳを受け取り、この信号に応じて記憶する。
【００３５】
記憶指示部１３０は、外部から外部指示信号ＥＸＴまたは計数部１４０から記憶指示トリガー信号を受け取り、これらの信号に応じて記憶指示信号ＭＳを記憶部１１０へ出力する。
【００３６】
測定管状態変化検出部１２０は、流速分布測定部８０から現在の流速分布ＧＶ、流量測定部９０から現在の流量ＧＱ、および記憶部１１０から過去の流速分布ＫＶと過去の流量ＫＱを受け取る。
【００３７】
そして、測定管状態変化検出部１２０は、受け取ったデータに基づいて検出した測定管２の状態の変化を、出力部１５０および表示部１６０に出力する。
【００３８】
なお、測定線ＭＬの管断面方向の位置を、一方の内壁から他方の内壁へ向けてｄ０（測定管２の一方の内壁）、ｄ１、ｄ２、ｄ３（中央部）、ｄ４、ｄ５、ｄ６（他方の内壁）と表した。
【００３９】
つぎに、流速分布測定部８０によって測定された被測定流体ＦＬＤの流速分布が、測定管２の内壁の状態に応じて変化することを、図２を用いて説明する。図２は、測定管２の内壁の面粗さが小さい場合の流速分布Ａ（以下、「流速分布Ａ」という）および面粗さが大きい場合の流速分布Ｂ（以下、「流速分布Ｂ」という）を表すグラフである。
【００４０】
面粗さは、流速分布Ａより流速分布Ｂの場合の方が粗い。なお、流速分布Ａの流量と流速分布Ｂの流量とは、同じ流量である。
【００４１】
図２は、測定線ＭＬの位置ｄ０〜ｄ３における流速分布を表している。なお、図示していないが、ｄ３〜ｄ６における流速分布は、ｄ３の縦軸に対して左右対称形となる。
【００４２】
図２において、流速分布Ａは、例えば、超音波流量計１００を測定管２に設置した後の初期状態、すなわち、設置後、まだ化学プラントの流量制御などを開始していない状態での流速分布を表す。このような状態では、測定管２は新しく、被測定流体ＦＬＤも頻繁に流れていないので、測定管２の内壁の面粗さが小さい（流速分布Ｂの場合より粗くない）。
【００４３】
一方、流量制御などを開始されて、被測定流体ＦＬＤが頻繁に流れて時間が経過すると、測定管２の内壁に錆が形成され、また測定流体ＦＬＤ中の固形物が付着し、堆積するので、測定管２の内壁の面粗さが大きくなる（流速分布Ａの場合より粗くなる）。
【００４４】
流速分布Ｂの場合の内壁ｄ０の摩擦力は、流速分布Ａの場合と比較して小さくなるので、内壁ｄ０付近の流速分布Ｂは、流速分布Ａより大きくなって立ち上がりが速い。一方、流速分布Ａと流速分布Ｂの流量は同じなので、流速分布Ｂは、内壁ｄ０付近で流速分布Ａより大きくなった分、中央部ｄ３付近では流速分布Ａより小さくなる。
【００４５】
また、図示していないが、測定管２が詰まった場合、流速分布Ｂは、内壁ｄ０付近では流速分布Ａより小さくなって立ち上がりが遅くなるが、中央部ｄ３付近では流速分布Ａより大きくなる。
【００４６】
このように、測定管２の内壁の面粗さが変化した場合または測定管２が詰まった場合のいずれにおいても、図２の流速分布Ａと流速分布Ｂとは異なった曲線（流速の値）となる。すなわち、詳細は後述するが、測定管状態変化検出部１２０が、流速分布Ａと流速分布Ｂとを比較し差を検出すれば、測定管２の内壁の面粗さの変化または詰まりなどの測定管２の状態の変化を検出することができる。
【００４７】
つぎに、記憶部１１０は、過去の流量ＫＱとこの流量に対応する過去の流速分布ＫＶとを記憶するので、この記憶されたデータについて図３を用いて説明する。図３は、記憶部１１０に記憶された過去の流量ＫＱと過去の流速分布ＫＶを表す。
【００４８】
図３において、記憶部１１０は、過去の任意の流量ＫＱ０と、この流量（ＫＱ０）に対応する流速分布ＫＶを構成する測定線ＭＬの各位置ｄ０〜ｄ６における流速ＫＶ０ｄ０〜ＫＶ０ｄ６を記憶している。
【００４９】
同様に、過去の任意の流量ＫＱ１、ＫＱ２、ＫＱ３と、これらの流量にそれぞれ対応する流速分布ＫＶを構成する流速ＫＶ１ｄ０〜ＫＶ１ｄ６、ＫＶ２ｄ０〜ＫＶ２ｄ６、ＫＶ３ｄ０〜ＫＶ３ｄ６が記憶されている。なお、図３には、過去の流量はＫＱ０〜ＫＱ３の４個を、また流速分布ＫＶはｄ０〜ｄ６の７個を示したが、この個数より多くても少なくてもい。
【００５０】
つぎに、超音波流量計１００の動作について図４を用いて説明する。図４は、超音波流量計１００の動作フローチャート図である。
【００５１】
まず、前述した超音波流量計１００を測定管２に設置した後の初期状態時を過去の時とし、過去および現在の流速分布の流速に関連する値は、流速分布を構成する流速の値（例えば、図３に示した流速値）として説明する。また、図２の流速分布Ａは過去の流速分布、流速分布Ｂは現在の流速分布として説明する。
【００５２】
図４のステップＳ１０において、相関演算部７０は、２つの反射超音波信号の相互相関値を算出する。ステップＳ２０において、流速分布測定部８０は、相互相関値を用いて測定線ＭＬ上の流速分布を算出する。ステップＳ３０において、流量測定部９０は、流速分布から被測定流体ＦＬＤの流量を算出する。なお、ステップＳ１０〜Ｓ３０は、図６において説明した相関演算部７０、流速分布測定部８０および流量測定部９０の動作と同じである。
【００５３】
そして、超音波流量計１００を設置した後の初期状態時に、ユーザが外部指示信号ＥＸＴを記憶指示部１３０に入力した場合、記憶部１１０は、記憶指示部１３０から記憶指示信号ＭＳを受け取り（ステップＳ４０の「はい」）、ステップＳ５０に移行する。
【００５４】
ステップＳ５０において、記憶部１１０は、ステップＳ３０、Ｓ２０で算出された流量および流速分布を、過去の流量（例えばＫＱ０）および過去の流速分布（例えばＫＶ０ｄ０〜ＫＶ０ｄ６）として、図３に示したように記憶する。
【００５５】
その後、ステップＳ１０に戻り、図３に示した過去の流量ＫＱおよび過去の流速分布ＫＶの各値が記憶されるまで繰り返す。
【００５６】
この繰り返しが終わった後、記憶指示信号ＭＳが無ければ（ステップＳ４０の「いいえ」）、ステップＳ６０に移行する。
【００５７】
ステップＳ６０において、測定管状態変化検出部１２０は、流量測定部９０によって測定された流量を現在の流量ＧＱとして受け取り、流速分布測定部８０によって測定された流速分布を現在の流速分布ＧＶとして受け取るとともに、記憶部１１０から過去の流量ＫＱ０および過去の流速分布ＫＶ０ｄ０〜ＫＶ０ｄ６を読み込む。
【００５８】
比較部１２１は、過去の流量ＫＱ０と現在の流量ＧＱとを比較し、過去の流量ＫＱ０と現在の流量ＧＱとの差の絶対値が、所定値以下または所定値より小さいか否かを判断する。ここで、所定値は、例えば、超音波流量計１００の流量の測定精度値または測定流量の揺動値などである。
【００５９】
以下に、過去の流量ＫＱ１と現在の流量ＧＱとが同じ値の場合について説明する。この場合、過去の流量ＫＱ０と現在の流量ＧＱとの差の絶対値は所定値以上なので（ステップＳ６０の「いいえ」）、測定管状態変化検出部１２０は、記憶部１１０から過去の流量ＫＱ１および過去の流速分布ＫＶ１ｄ０〜ＫＶ１ｄ６を読み込み、ステップＳ６０を再度実行する。
【００６０】
過去の流量ＫＱ１は現在の流量ＧＱと同じなのでステップＳ７０へ移行する（ステップＳ６０の「はい」）。
【００６１】
ステップＳ７０において、比較部１２１は、過去の流量ＫＱ１に対応する測定線ＭＬの位置ｄ３（測定管２の中央部）における過去の流速ＫＶ１ｄ３（流速に関連する値）と、現在の流量ＧＱに対応する位置ｄ３における現在の流速ＧＶｄ３（流速に関連する値）とを比較する。
【００６２】
測定管２の内壁の面粗さが大きく（粗く）なって面粗さの状態が変化していれば、図２に示すように、過去の流速ＫＶ１ｄ３（流速分布Ａのｄ３での流速）と現在の流速ＧＶｄ３（流速分布Ｂのｄ３での流速）とは異なるので（流速ＫＶ１ｄ３＞流速ＧＶｄ３）、比較結果として両者は不一致となり（ステップＳ７０の「不一致」）、ステップＳ８０に移行する。
【００６３】
ステップＳ８０において、測定管状態変化検出部１２０は、測定管２の状態の変化として、面粗さが大きく（粗く）なったことを検出する。
【００６４】
また、測定管２が詰まった場合、過去の流速ＫＶ１ｄ３＜現在の流速ＧＶｄ３となり両者は不一致なので、測定管状態変化検出部１２０は、測定管２の状態の変化として、測定管２が詰まったことを検出する。
【００６５】
そして、ステップＳ９０において、測定管状態変化検出部１２０は、面粗さの状態の変化、詰まりなどの測定管２の状態の変化を出力部１５０に出力、表示部１６０に表示させる。測定管２の状態の変化のほか、過去の流速ＫＶ１ｄ３と現在の流速ＧＶｄ３との差を出力、表示させてもよい。
【００６６】
また、ステップＳ７０において、比較部１２１は、位置ｄ３における過去の流速ＫＶ１ｄ３と現在の流速ＧＶｄ３とを比較したが、この位置に限られず、測定管２の状態の変化によって過去と現在の流速の差が現れる任意の位置で比較してもよい。例えば、図２に示したように、過去と現在の流速の差が大きい測定管２の内壁ｄ０付近における過去と現在の流速を比較してもよい。
【００６７】
任意の位置は複数であってもよく、複数であれば、より正確に測定管２の状態の変化を検出できる。また、任意の位置が一つの場合には、測定管状態変化検出部１２０の演算処理速度の向上および演算処理時間の短縮をすることができる。
【００６８】
なお、面粗さの状態が変化していなければ、過去の流速ＫＶ１ｄ３と現在の流速ＧＶｄ３とは一致するので（ステップＳ７０の「一致」）、ステップＳ８０、Ｓ９０を実行せず終了する。
【００６９】
このような構成および動作によって以下のことを実現できる。記憶部１１０が、超音波流量計１００を測定管２に設置した後の初期状態時（過去）の流量ＫＱとこの流量に対応するの流速分布ＫＶとを記憶する。
【００７０】
そして、測定管状態変化検出部１２０が、過去の流量（例えばＫＱ１）と現在の流量ＧＱとが同じ場合、現在の流量ＧＱに対応する現在の流速分布の任意の位置（例えばｄ３）における流速の値（例えばＧＶｄ３）と、過去の流速分布の任意の位置（例えばｄ３）における流速の値（例えばＫＶ１ｄ３）とを比較する。
【００７１】
比較した結果が不一致であれば、超音波流量計１００を設置した後の初期状態時からの測定管２の状態の変化（例えば、面粗さの状態の変化、詰まり）を検出することによって、超音波トランスジューサ１０とは別に超音波トランスジューサを設けることなく、測定管の状態の変化を検出することができる。
【００７２】
これにともない、超音波トランスジューサの費用（部品費）、および超音波トランスジューサの測定管への取り付け費用と工数を削減できる。
【００７３】
また、過去の流速ＫＶ１ｄ３と現在の流速ＧＶｄ３との差を出力、表示させることによって、ユーザーなどは差の大きさを知ることができるので、面粗さまたは詰まりなどの測定管２の状態の変化の度合いを知ることができるとともに、変化の度合いの予測が可能となる。
【００７４】
なお、ステップＳ７０において、過去の流速ＫＶ１ｄ３と現在の流速ＧＶｄ３との差の絶対値が所定値（例えば、ノイズが重畳した場合の流速値の変化量（ノイズによる変動を除去する所定のヒステリシス値））以上の場合、ステップＳ８０に移行してもよい。これによって、超音波流量計１００に混入したノイズなどによるステップＳ７０における誤判定を防止できる。
【００７５】
つぎに、過去および現在の流速分布の測定線ＭＬの位置における流速に関連する値を、流速と流量との比率（＝流速／流量）とした場合の動作について図４を用いて説明する。なお、図４のステップのうち、上述した動作と異なる動作のみ説明する。
【００７６】
図４のステップＳ６０において、現在の流量ＧＶが、流量測定精度範囲内の誤差または測定流量の揺動による誤差を有する場合、過去の流量ＫＱ１と現在の流量ＧＱとは一致しないが、過去の流量ＫＱ１と現在の流量ＧＱとの差の絶対値は、所定値以下または所定値より小さいので、ステップＳ７０へ移行する。
【００７７】
この場合、過去の流量ＫＱ１と現在の流量ＧＱとは一致せず差があり、この流量差による流速の差が生じるため、ステップＳ７０において、過去と現在の流速同士を比較すると、測定管２の状態の検出が正確にできない場合がある。
【００７８】
このため、この流量差の影響を除去するために、流速に関連する値として、流速と流量との比率（流速を流量で除算した値）を用いればよい。過去の流速と過去の流量との比率ＫＲ（以下、「過去の比率」という）は、例えば、過去の流速ＫＶ１ｄ３と過去の流量ＫＱ１との比率（＝ＫＶ１ｄ３／ＫＱ１）であり、現在の流速と現在の流量との比率ＧＲ（以下、「現在の比率」という）は、例えば、現在の流速ＧＶｄ３と現在の流量ＧＱとの比率（＝ＧＶｄ３／ＧＱ）である。
【００７９】
ステップＳ７０において、比率演算部１２２は、過去の比率ＫＲと現在の比率ＧＲを算出し、測定管状態変化検出部１２０は、過去の比率ＫＲと現在の比率ＧＲとを比較し不一致であれば（ステップＳ７０の「不一致」）、測定管２の状態の変化として、面粗さが大きく（粗く）または詰まったことを検出する（ステップＳ８０）。
【００８０】
このような構成および動作によって以下のことを実現できる。現在の流量ＧＶが、流量測定精度範囲内の誤差または測定流量の揺動による誤差を有しても、過去の流量（例えばＫＱ１）と現在の流量ＧＱとの差が所定値以下の場合、測定管状態変化検出部１２０が、過去の比率ＫＲと現在の比率ＧＲとを比較することによって、過去と現在の流量差の影響を除去して測定管２の状態の変化を検出することができる。
【００８１】
なお、ステップＳ７０において、流速の値の比較と、比率の比較の両方を行ってもよい。これによって、より正確に測定管２の状態の変化を検出することができる。
【００８２】
また、図３の記憶部１１０に、過去の流量ＫＱおよび過去の流速分布ＫＶの各値毎に、比率演算部１２２によってそれぞれ算出された過去の比率ＫＲを予め記憶しておいてもよい。これによって、ステップＳ７０において、測定管状態変化検出部１２０は予め記憶された過去の比率ＫＲを読み出せばよく、比率演算部１２２は、ステップＳ７０を実行する度に過去の比率ＫＲを算出する必要は無く、演算処理速度の向上および演算処理時間の短縮をすることができる。
【００８３】
なお、ステップＳ７０において、過去の比率ＫＲと現在の比率ＧＲとの差の絶対値が所定値（例えば、ノイズが重畳した場合の比率の変化量（ノイズによる変動を除去する所定のヒステリシス値））以上の場合、ステップＳ８０に移行してもよい。これによって、超音波流量計１００に混入したノイズなどによるステップＳ７０における誤判定を防止できる。
【００８４】
つぎに、現在より所定時間前を過去の時とした場合の動作について説明する。
【００８５】
図１において、タイマーまたはカウンタなどを備える計数部１４０は、記憶指示トリガー信号を一定の周期（例えば、１週間、１か月など）で記憶指示部１３０へ出力する。記憶指示部１３０は、記憶指示トリガー信号に応じて記憶指示信号ＭＳを記憶部１１０へ出力する。以下に、図４のステップのうち、上述した動作と異なる動作のみ説明する。
【００８６】
図４のステップＳ４０において、記憶部１１０は、一定の周期で記憶指示信号ＭＳを受け取った後ステップＳ５０に移行して、図２に示したように、過去の流量ＫＱと過去の流速分布ＫＶを記憶する。このため、記憶部１１０には、過去の流量ＫＱと過去の流速分布ＫＶとして、現在より所定時間前（例えば、所定時間は現在から前回の記憶時までの時間）の流量と流速分布を記憶する。
【００８７】
このような構成および動作によって以下のことを実現できる。被測定流体ＦＬＤの種類（例えば、腐食性の流体）または多量の固形物によって、急激に面粗さが大きくなる（粗くなる）または詰まる場合において、測定管状態変化検出部１２０が、現在より所定時間前（過去）の流速の値または比率と、現在の流速の値または比率とを比較することによって、急激な状態の変化に対応して測定管２の状態の変化を定期的に検出することができる。
【００８８】
また、記憶指示トリガー信号の一定の周期は、ユーザーによって変更することができ、これによって、面粗さまたは詰まりの進行速度に対応して、より適切な状態の変化を検出することができる。
【００８９】
［第２の実施例］
第２の実施例について図５を用いて説明する。図５は、本発明に係る超音波流量計２００の構成図である。
【００９０】
図５において、超音波流量計２００は、図１の超音波流量計１００に異常診断部２１０を加えた構成である。
【００９１】
異常診断部２１０は、測定管状態変化検出部１２０から比較結果を受け取り、測定管２の状態が異常が否かを判断し、この判断結果を出力部１５０に出力、表示部１６０に表示させる。以下に、異常診断部２１０の動作について図４を用いて説明する。なお、図４のステップのうち、上述した動作と異なる動作のみ説明する。
【００９２】
図４のステップＳ８０において、異常診断部２１０は、測定管状態変化検出部１２０の比較結果である、過去の流速ＫＶ１ｄ３と現在の流速ＧＶｄ３との差の絶対値を受け取る。
【００９３】
異常診断部２１０は、受け取った差の絶対値を予め定めた異常診断値と比較し、この絶対値が異常診断値以上または異常診断値より大きければ、測定管２の面粗さが非常に大きいまたは多量の詰まりがあって、測定管２の状態は異常であると診断する。
【００９４】
ステップＳ９０において、異常診断部２１０は、例えばアラームとして、測定管２の異常状態を出力部１５０に出力、表示部１６０に表示させる。
【００９５】
なお、測定管状態変化検出部１２０の比較結果として、過去の比率ＫＲと現在の比率ＧＲとの差の絶対値を用いてもよい。また、より正確に測定管２の異常状態を検出するために、異常診断値との比較対象には、流速の差と比率の差の両方を用いてもよい。
【００９６】
このような構成および動作によって以下のことを実現できる。異常診断部２１０は、測定管状態変化検出部１２０の比較結果を異常診断値と比較し、異常診断値以上または異常診断値より大きければ、測定管２の状態は異常であると診断する。これによって、ユーザーは、測定管２の面粗さが非常に大きいまたは多量の詰まりがあることを知ることができ、測定管２の交換および材質の見直しをすることができて、メンテナンスが容易となる。
【００９７】
また、異常診断部２１０は、比較結果である流速の差または比率の差の大きさによって、面粗さまたは詰まりの度合いを診断し、この度合いを出力部１５０に出力、表示部１６０に表示させてもよい。
【００９８】
例えば、異常診断部２１０は、流速の差または比率の差が小さければ「粗さ度１（少し粗い）」、差が中くらいであれば「粗さ度２（やや粗い）」、差が大きければ「粗さ度３（とても粗い）」というように、度合いを診断する。
【００９９】
このような異常診断部２１０の動作によって、ユーザーは、測定管２の面粗さまたは詰まりの度合いを知ることができ、流量測定不能になる前に予防診断として、測定管２の交換および材質の見直しをすることができる。また、予知診断として、今後の度合いの変化の予測が可能となって、メンテナンスが容易となる。
【０１００】
なお、測定管２の状態は、測定管２の錆、固形物の付着、面粗さまたは詰まりを例にして説明したが、測定管２の内壁の破損などの他の例であってもよい。
【０１０１】
なお、超音波流量計１００、２００は、反射相関方式の超音波流量計について説明したが、超音波反射体ＰＴによって反射された反射超音波信号ＣＨを用いるドップラー方式の超音波流量計であってもよい。
【０１０２】
また、比率演算部１２２は、測定管状態変化検出部１２０と別に設けてもよく、異常診断部２１０は、測定管状態変化検出部１２０内部に設けてもよい。
【０１０３】
切換制御部３０、相関演算部７０、流速分布測定部８０、流量測定部９０、測定管状態変化検出部１２０、比較部１２１、比率演算部１２２、記憶指示部１３０、計数部１４０および異常診断部２１０は、プログラムを実行するＣＰＵなどのプロセッサによって実現されてもよく、論理回路などによって実現されてもよい。
【０１０４】
なお、本発明は、前述の実施例に限定されることなく、その本質を逸脱しない範囲で、さらに多くの変更および変形を含む。また、前述した各部の組み合わせ以外の組み合わせを含むことができる。
【符号の説明】
【０１０５】
１０ 超音波トランスジューサ
２０ 切換回路
３０ 切換制御部
４０ 送信回路
５０ 受信回路
６０ Ａ／Ｄ変換回路
７０ 相関演算部
８０ 流速分布測定部
９０ 流量測定部
１００、２００ 超音波流量計
１１０ 記憶部
１２０ 測定管状態変化検出部
１２１ 比較部
１２２ 比率演算部
１３０ 記憶指示部
１４０ 計数部
２１０ 異常診断部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定管を流れる被測定流体に入射された超音波信号が超音波反射体によって反射され、この反射された超音波信号に基づいて前記被測定流体の流速分布および流量を測定する超音波流量計において、
過去の流量とこの流量に対応する過去の流速分布とを記憶する記憶部と、
前記過去の流量と現在の流量との差が所定値以下の場合、前記現在の流量に対応する現在の流速分布の任意の位置における流速に関連する値と、前記過去の流速分布の前記任意の位置における流速に関連する値との比較結果に基づいて前記測定管の状態の変化を検出する測定管状態変化検出部と
を備えたこと特徴とする超音波流量計。
【請求項２】
前記流速に関連する値は、前記流速の値または前記流速と前記流量との比率の少なくともいずれか一つであることを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
【請求項３】
前記記憶手段に記憶された過去の流量および過去の流速分布は、前記超音波流量計を設置した後の初期状態時に記憶されたことを特徴とする請求項１または２に記載の超音波流量計。
【請求項４】
前記記憶手段に記憶された過去の流量および過去の流速分布は、現在より所定時間前に記憶されたことを特徴とする請求項１または２に記載の超音波流量計。
【請求項５】
前記比較結果が異常診断値以上の場合、前記測定管の状態は異常と診断する異常診断部を備えたこと特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の超音波流量計。
【請求項６】
前記測定管の状態は、前記測定管の錆、付着、面粗さまたは詰まりの少なくともいずれか一つであること特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の超音波流量計。
【請求項１】
測定管を流れる被測定流体に入射された超音波信号が超音波反射体によって反射され、この反射された超音波信号に基づいて前記被測定流体の流速分布および流量を測定する超音波流量計において、
過去の流量とこの流量に対応する過去の流速分布とを記憶する記憶部と、
前記過去の流量と現在の流量との差が所定値以下の場合、前記現在の流量に対応する現在の流速分布の任意の位置における流速に関連する値と、前記過去の流速分布の前記任意の位置における流速に関連する値との比較結果に基づいて前記測定管の状態の変化を検出する測定管状態変化検出部と
を備えたこと特徴とする超音波流量計。
【請求項２】
前記流速に関連する値は、前記流速の値または前記流速と前記流量との比率の少なくともいずれか一つであることを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
【請求項３】
前記記憶手段に記憶された過去の流量および過去の流速分布は、前記超音波流量計を設置した後の初期状態時に記憶されたことを特徴とする請求項１または２に記載の超音波流量計。
【請求項４】
前記記憶手段に記憶された過去の流量および過去の流速分布は、現在より所定時間前に記憶されたことを特徴とする請求項１または２に記載の超音波流量計。
【請求項５】
前記比較結果が異常診断値以上の場合、前記測定管の状態は異常と診断する異常診断部を備えたこと特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の超音波流量計。
【請求項６】
前記測定管の状態は、前記測定管の錆、付着、面粗さまたは詰まりの少なくともいずれか一つであること特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の超音波流量計。
【図１】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【公開番号】特開２０１０−１８５８４３（Ｐ２０１０−１８５８４３Ａ）
【公開日】平成２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−３１７１８（Ｐ２００９−３１７１８）
【出願日】平成２１年２月１３日（２００９．２．１３）
【出願人】（０００００６５０７）横河電機株式会社 (4,443)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月１３日（２００９．２．１３）
【出願人】（０００００６５０７）横河電機株式会社 (4,443)
【Ｆターム（参考）】
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