JP2012122740A

JP2012122740A - キャビテーション検出装置

Info

Publication number: JP2012122740A
Application number: JP2010271214A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Hayashi; 悠一林
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2010-12-06
Filing date: 2010-12-06
Publication date: 2012-06-28

Abstract

【課題】外部ノイズの影響を回避し、キャビテーション信号を明確に検知でき、かつプロセス流体による腐食等を受けない、間接測定法によるキャビテーション検出装置を提供する。
【解決手段】超音波を用いて流体の状態を検出する流体のキャビテーション検出装置において、
管体の外周面に設置され管体内を流れる流体に所定周波数の超音波を与える超音波付与手段と、前記管体の外周面に設置され流体中を伝播した前記超音波の信号を検出する超音波検出手段と、前記信号に含まれる周波数成分を分析する分析手段と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、音波を用いて流体の状態を検出する流体のキャビテーション検出装置に関する。

プラントの配管内では、オリフィス下流側の局所的な負圧によって気泡（キャビテーション）が発生する場合がある。キャビテーションは配管の壊食等を促進する要因となり、その発生状況は配管の寿命等に影響する。

従来、キャビテーションを検出する方法として、加速度センサを用いた方法が提案されている（（株）原子力安全システム研究所LOUTNAL VOL.11 P129）。この方法は、配管内の圧力回復によるキャビテーションの崩壊に伴う衝撃波を電気信号に変換するもので、キャビテーション発生時には通常時の約１０倍以上の電圧値が観測されるため、その電圧値に基づいてキャビテーションを検知できる。

また、キャビテーションを検出する別の方法として、マイクロフォンを用いた方法が提案されている（（株）原子力安全システム研究所LOUTNAL VOL.12 P160）。この方法は、上記の衝撃波をマイクロフォンで捉えるとともに、フーリエ変換により衝撃波の周波数スペクトルを求めるものである。キャビテーション発生時には特定の周波数近傍にキャビテーション固有のピークが現れるため、キャビテーションの検知が可能となる。

図１０は更に他の従来例を示すキャビテーション検出装置を示すものである。
図１０に示すように、プラントの配管１１の中間を接続する絞り機構用フランジ２の内部にオリフィス４が設けられている。オリフィス４は、ねじ１０を締結することにより固定される。

絞り機構用フランジ２の外表面には超音波振動子３が溶接等により取り付けられる。
また、２０ｋＨｚ−１００ｋＨｚ域の周波数特性を有するハイドロフォン１２が、溶接あるいはねじ込みにより絞り機構用フランジ２に取り付けられる。
図１０に示すように、プロセス流体は図１０において右方から左方に向かって流れており、超音波振動子３およびハイドロフォン１２はオリフィス４の下流側に設けられる。

超音波振動子３には増幅器９を介してファンクションジェネレータ１が接続されている。また、ハイドロフォン１２の出力信号は増幅器９ａを介してオシロスコープ６に入力さ、オシロスコープ６により得られた波形はパーソナルコンピュータ７に取り込まれる。

上述の構成において、まず、ファンクションジェネレータ１から周波数２０ｋＨｚ−１００ｋＨｚの範囲内における基本周波数の連続波を出力し、増幅器９を介して超音波振動子３を駆動する。これにより超音波振動子３は上記基本周波数の超音波を照射し、オリフィス４の下流側に超音波が与えられる。このときの超音波の振幅はキャビテーション閾値よりも小さな値とする。例えば、超音波の周波数が１００ｋＨｚであり、プロセス流体が飽和水の場合、キャビテーション閾値である０．２Ｗ／ｃｍ^−２よりも低いパワーとなる振幅とする。

この超音波はプロセス流体を伝播し、ハイドロフォン１２に到達する。また、オリフィス４の下流側に発生したキャビテーションが上記超音波を受けると、超音波に応答して非線形振動を繰り返し、超音波の基本周波数のｎ倍（ｎは２以上の整数）の周波数の高周波成分、あるいは１／ｎの周波数の分周波成分を持った音波を発生させる。これらの音波も同様にプロセス流体を伝播し、ハイドロフォン１２に到達する。

ハイドロフォン１２に到達した音波は電気信号に変換され、増幅器９ａを介してオシロスコープ６に取り込まれる。
パーソナルコンピュータ７はオシロスコープ６から上記電気信号の波形を取り込み、波形をフーリエ変換して周波数スペクトルに分解する。
キャビテーション気泡の周波数スペクトルは、高調波・分調波を強く含んでいる。そのため、ノイズ周波数と気泡からの高調波・分調波による周波数の比から、キャビテーションの有無の判定・相対的な強さを測定できる。

特開２００７−１７０９８１号公報特開２００９−０９８８９８号公報

（株）原子力安全システム研究所LOUTNAL VOL.11 P129 （株）原子力安全システム研究所LOUTNAL VOL.12 P160 ながれ２４（２００５）４０５−４１２

ところで、上述の従来技術において、加速度センサを用いた方法やマイクロフォンを用いた方法は、外部ノイズの少ない研究レベルでの検知方法である。実際のプラントではポンプやタービンなど多数の振動・音響ノイズ発生源があるため、キャビテーション信号とノイズの区別が難しい（S/Nが悪い）という課題があり、それらをクリアしてなんらかの信号を観測できたとしてもそれがキャビテーションからの信号であるという確証は得られない。キャビテーション信号の確証を得るには、プラントを停止⇔運転という作業が必要であり、連続運転しているプラントに対しては適用が難しいという課題があった。

また、ハイドロフォンを用いる図１０に示す方法ではS/Nを向上させ、キャビテーション固有の信号を捉えることが可能であるが、ハイドロフォンが直接プロセスに接しているため、プロセスが腐食性物質などの場合は適用が難しいという課題があり、また、キャビテーションによる壊食やプロセスからの異物によって、ハイドロフォンが破損する恐れがあるという課題があった。

従って本発明は、外部ノイズの影響を回避し、キャビテーション信号を明確に検知でき、かつプロセス流体による腐食等を受けない、間接測定法によるキャビテーション検出装置を提供することを目的としている。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載のキャビテーション検出装置においては、
超音波を用いて流体の状態を検出する流体のキャビテーション検出装置において、
管体の外周面に設置され管体内を流れる流体に所定周波数の超音波を与える超音波付与手段と、
前記管体の外周面に設置され流体中を伝播した前記超音波の信号を検出する超音波検出手段と、
前記信号に含まれる周波数成分を分析する分析手段と、
を備えることを特徴とする。

請求項２のキャビテーション検出装置においては、
超音波を用いて流体の状態を検出する流体のキャビテーション検出装置において、
管体の外周面に配置され管体内を流れる流体に所定周波数のバースト波の超音波を与える超音波付与手段と、
前記管体の外周面に配置され流体中を伝播した前記超音波の信号を検出する超音波検出手段と、
前記信号に含まれる周波数成分を分析する分析手段と、
を備え、
前記超音波付与手段からの信号を前記分析手段に入力し、前記流体中を伝播した前記超音波の信号から前記超音波付与手段からの信号を減算したことを特徴とする。

請求項３においては、
超音波を用いて流体の状態を検出するキャビテーション検出装置において、
管体内に配置されたオリフィスと、該オリフィスの上流側と下流側の管体の外周面に設置され、管体内を流れる流体に所定周波数の超音波を与える超音波付与手段と、
前記管体の外周面に配置され流体中を伝播した前記超音波の信号をそれぞれ検出する超音波検出手段と、
前記それぞれの信号に含まれる周波数成分を分析する分析手段と、
を備え、
前記オリフィスの下流側からの信号から前記オリフィスの上流側からの信号を減算したことを特徴とする。

請求項４においては、
超音波を用いて流体の状態を検出するキャビテーション検出装置において、
管体内に配置されたオリフィスと、該オリフィスの下流側に設置され、管体内を流れる流体に所定周波数のバースト波の超音波を与えるとともに流体中を伝播した前記超音波の信号を受信する超音波送受信手段と、
前記受信した信号に含まれる周波数成分を分析する分析手段と、
を備えることを特徴とする。

請求項５においては、請求項１乃至３に記載のキャビテーション検出装置において、
前記超音波付与手段および前記超音波検出手段がオリフィスを保持するフランジに取り付けられていることを特徴とする。

請求項６においては、請求項４に記載のキャビテーション検出装置において、
前記超音波送受信手段がオリフィスを保持するフランジに取り付けられていることを特徴とする。

以上説明したことから明らかなように本発明の請求項１乃至６によれば、
外部ノイズの影響を回避し、キャビテーション信号を明確に検知でき、かつプロセス流体による腐食等を受けない、間接測定法によるキャビテーション検出装置を実現することができる。
また、超音波を用いることによって、キャビテーション気泡固有の非線形振動を誘発させ、気泡から発せられる固有の周波数ピークを検知することによって、キャビテーションの有無・相対的強さを測定することができる。
また、気泡の非線形振動を検出することで、キャビテーション信号と外部ノイズとの明確な切り分けが可能なキャビテーション検出装置を実現することができる。

本発明のキャビテーション検出装置の実施形態の一例を示す構成図である。キャビテーション検出のフローを示す図である。キャビテーション検出波形の一例を示す図である。キャビテーション検出装置の他の実施例を示す構成図である。バースト波の一例を示す図である。キャビテーション検出のフローを示す図である。キャビテーション検出装置の他の実施例を示す構成図である。キャビテーション検出のフローを示す図である。キャビテーション検出装置の他の実施例を示す構成図である。従来のキャビテーション検出装置を示す構成図である。

図１は本発明のキャビテーション検出装置の実施形態の一例を示す構成図、図２はキャビテーション検出のためのフローを示す図である。
図１に示すように、プラントの配管１１の中間を接続する絞り機構用フランジ２の内部にねじ１０を締結することにより固定されたオリフィス４が設けられている。

絞り機構用フランジ２の外表面には送信用超音波振動子３が溶接等により取り付けられている。また、２０ｋＨｚ−１００ｋＨｚ域の周波数特性を有する受信用超音波振動子５が、溶接あるいはねじ込みにより絞り機構用フランジ２に取り付けられている。

図１に示すように、プロセス流体は図１において右方から左方に向かって流れており、送信用超音波振動子３及び受信用超音波振動子５はオリフィス４の下流側に設けられている。

送信用超音波振動子３には増幅器９を介してファンクションジェネレータ１が接続され
ている。また、受信用超音波振動子５の出力信号は増幅器９ａを介してオシロスコープ６
に入力し、オシロスコープ６により得られた波形はパーソナルコンピュータ７に取り込まれる。

次に、状態検出の手順について図２のフローを用いて説明する。
まず、ａ）において、ファンクションジェネレータ１から周波数２０ｋＨｚ−１００ｋＨｚの範囲内における基本周波数の連続波を出力し、増幅器９を介して送信用超音波振動子３を駆動する。
ｂ）これにより送信用超音波振動子３は上記基本周波数の超音波を照射し、オリフィス４の下流側に超音波が与えられる。
ｃ）与えられた超音波により気泡に非線形振動が生じる。このときの超音波の振幅はキャビテーション閾値よりも小さな値とする。例えば、超音波の周波数が１００ｋＨｚであり、プロセス流体が飽和水の場合、キャビテーション閾値である０．２Ｗ／ｃｍ^−２よりも低いパワーとなる振幅とする。

ｄ）この超音波はプロセス流体を伝播し、受信用超音波振動子５に到達する。また、オリフィス４の下流側に発生したキャビテーションが上記超音波を受けると、超音波に応答して非線形振動を繰り返し、超音波の基本周波数のｎ倍（ｎは２以上の整数）の周波数の高周波成分、あるいは１／ｎの周波数の分周波成分を持った音波を発生させる。これらの音波も同様にプロセス流体を伝播し、受信用超音波振動子５に到達する。

ｅ）受信用超音波振動子５に到達した音波は電気信号に変換され、増幅器９ａを介してオシロスコープ６に取り込まれる。
ｆ）パーソナルコンピュータ７はオシロスコープ６から上記電気信号の波形を取り込み、
波形をフーリエ変換して周波数スペクトルに分解する。
ｇ）パーソナルコンピュータ７は周波数スペクトルに分解された周波数を用いてキャビテーションの有無の判定及びその強さを判定する。

図３は得られた周波数スペクトルからキャビテーションの有無を判定する方法を示すもので、測定点１は、周囲ノイズ等を含む基本周波数foのn倍や1/nでない周波数成分であり、測定点２は気泡の振動から発せられた分調波成分である。ここで、測定点１と２の振幅を比較し、ある値（図３では、振幅２）以上であれば、キャビテーション「有」と判定する。また、キャビテーションの相対強さは（測定点２）／（測定点１）として評価する。

上述の構成によれば、超音波を用いることによって、キャビテーション気泡固有の非線形振動を誘発させ、気泡から発せられる固有の周波数ピークを検知することによって、キャビテーションの有無・相対的強さを測定することができる。
従来の加速度センサを用いた方法やマイクロフォンを用いた間接的検出法では、外部ノイズを受けやすく、キャビテーション信号の切り分けが難しかった。

また、ハイドロフォン等を使用した直接的検出法では、プロセス流体からの腐食等の問題があった。本発明のキャビテーション検出装置によれば、間接的検出法であるにも関わらず、超音波を用いることによって、気泡の非線形振動を検出することで、キャビテーション信号と外部ノイズとの明確な切り分けが可能なキャビテーション検出装置を実現することができる。

図４は他の実施例を示すもので、この実施例においてはファンクションジェネレータ１の信号を送信用超音波振動子３に入力する他にオシロスコープ６に直接入力している点が図１の構成と異なっている。
図５は図４の構成におけるキャビテーション検出のためのフローを示す図である。

状態検出の手順について図５のフローを用いて説明する。
まず、ａ）において、ファンクションジェネレータより、バースト波を設定する。
図６ａは設定するバースト波の周期を示すもので、周波数２０ｋＨｚ−１００ｋＨｚの範囲内における基本周波数の断続波である。信号１，２の間隔は切り分けが可能な程度の時間とする。そのバースト波は増幅器９を介して送信用超音波振動子３を駆動する。

ｂ）送信用超音波振動子３は、ファンクションジェネレータ１の信号を受け、バースト波を照射する。
ｃ）オリフィス４の下流部のキャビテーション気泡は、非線形成分を持った音波を発する。
ｄ）絞り機構用フランジ２に接着された受信用超音波振動子５は気泡からの音波を受信する。

ｅ）オシロスコープ６において図６ｂのような波形が得られる。ここで、図６ｂの信号1はバースト波で振動された気泡振動を含む音波成分、信号２はバースト波の休止時間におけるノイズ成分のみの音波成分となる。
ｆ）パソコン７で信号１、信号２を取り込み、各々フーリエ変換する。ここで、信号1と信号２を取り込むタイミングの決定は、図６ａのファンクションジェネレータからの入力波形を参照する。

ｇ）各々フーリエ変換された信号１，２を減算処理することによってノイズ成分のカットされた周波数スペクトルを得ることができる。
ｈ）パーソナルコンピュータ７は得られた周波数スペクトルを用いて、周波数スペクトルに分解された周波数を用いてキャビテーションの有無の判定及びその強さを判定する。
上述の構成によれば超音波の波形をバースト波としているので、ノイズを効果的に除去することができる。

図７は他の実施例を示すもので、図８はキャビテーション検出のためのフローを示す図である。この実施例においてはオリフィス４の上流側の絞り機構用フランジ２に第２送信用超音波振動子３ａおよび第２受信用超音波振動子５ａを設けている。
そして、ファンクションジェネレータ１からの信号は第１、第２送信用超音波振動子（３，３ａ）に発信され、キャビテーションからの信号は第１、第２受信用超音波振動子（５，５ａ）が受信する点が図１の構成と異なっている。
図８は図４の構成におけるフローである。

状態検出の手順について図８のフローを用いて説明する。
まず、ａ）において、ファンクションジェネレータ１から周波数２０ｋＨｚ−１００ｋＨｚの範囲内における基本周波数の連続波を出力し、増幅器９を介して第１送信用超音波振動子３及び第２送信用超音波振動子３ａを駆動する。
ｂ）これにより送信用超音波振動子３は上記基本周波数の超音波を照射し、オリフィス４の下流側に超音波が与えられる。同様にオリフィスの上流側に配置された送信用超音波振動子３ａからも超音波が与えられる。

ｃ）与えられた超音波により気泡に非線形振動が生じる。このときの超音波の振幅はキャビテーション閾値よりも小さな値とする。例えば、超音波の周波数が１００ｋＨｚであり、プロセス流体が飽和水の場合、キャビテーション閾値である０．２Ｗ／ｃｍ^−２よりも低いパワーとなる振幅とする。

ｄ）これらの超音波はプロセス流体を伝播し、増幅器９ａを介して受信用超音波振動子５，５ａに到達する。また、オリフィス４の下流側に発生したキャビテーションが上記超音波を受けると、超音波に応答して非線形振動を繰り返し、超音波の基本周波数のｎ倍（ｎは２以上の整数）の周波数の高周波成分、あるいは１／ｎの周波数の分周波成分を持った音波を発生させる。これらの音波も同様にプロセス流体を伝播し、受信用超音波振動子５に到達する。同様にオリフィスの上流側に配置された送信用超音波振動子３ａからの超音波も受信用超音波振動子５ａに到達するが、オリフィス上流部では気泡が存在しないために、ノイズを含んだ状態の超音波振動がそのまま受信用超音波振動子５ａに到達する。

ｅ）受信用超音波振動子５，５ａに到達した音波は電気信号に変換され、増幅器９ａ，９ｂを介してオシロスコープ６に取り込まれる。
ｆ）パーソナルコンピュータ７はオシロスコープ６から上記電気信号の波形を取り込み、
波形をフーリエ変換して周波数スペクトルに分解する。
ｇ）パーソナルコンピュータ７は周波数スペクトルに分解された周波数を用いてキャビテーションの有無の判定及びその強さを判定する。

ｇ）各々フーリエ変換された信号１，２を減算処理することによってノイズ成分のカットされた周波数スペクトルを得ることができる。
ｈ）パーソナルコンピュータ７は得られた周波数スペクトルを用いて、周波数スペクトルに分解された周波数を用いてキャビテーションの有無の判定及びその強さを判定する。
上述の構成によれば超音波をオリフィス４の上流側と下流側に照射しているためキャビテーションで発生する信号以外のノイズを効果的に除去することができる。

図９はさらに他の実施例を示すもので、この例においては超音波波形を図６に示すようなバースト波とし、超音波の送受信を送受信用超音波振動子３ｃの１つのみで行うようにしたものである。なお、測定方法のフローや条件は図５と同様なのでここでの説明は省略する。

なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。例えば、超音波振動子は必ずしもフランジ等に接着されている必要はなく、使用者の任意の場所を調べることのできる脱着タイプでもよい。
また、超音波振動子、ファンクションジェネレータ、オシロスコープ、パソコンの各機器を1つの機器にまとめ、ポータブル式のキャビテーション検出器としてもよい（例えば、ポータブル式超音波探傷器のように）。

また、キャビテーション検出の対象は、オリフィスに生じたものだけに限定するものではなく配管に一般的に発生するキャビテーションも含まれる。
従って本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形を含むものである。

１ファンクションゼネレータ
２絞り機構用フランジ
３送信用超音波振動子
４オリフィス
５受信用超音波振動子
６オシロスコープ
７パソコン
９増幅器
１０ねじ
１１配管
１２ハイドロフォン

Claims

超音波を用いて流体の状態を検出する流体のキャビテーション検出装置において、
管体の外周面に設置され管体内を流れる流体に所定周波数の超音波を与える超音波付与手段と、
前記管体の外周面に設置され流体中を伝播した前記超音波の信号を検出する超音波検出手段と、
前記信号に含まれる周波数成分を分析する分析手段と、
を備えることを特徴とするキャビテーション検出装置。
超音波を用いて流体の状態を検出する流体のキャビテーション検出装置において、
管体の外周面に配置され管体内を流れる流体に所定周波数のバースト波の超音波を与える超音波付与手段と、
前記管体の外周面に配置され流体中を伝播した前記超音波の信号を検出する超音波検出手段と、
前記信号に含まれる周波数成分を分析する分析手段と、
を備え、
前記超音波付与手段からの信号を前記分析手段に入力し、前記流体中を伝播した前記超音波の信号から前記超音波付与手段からの信号を減算したことを特徴とするキャビテーション検出装置。
超音波を用いて流体の状態を検出するキャビテーション検出装置において、
管体内に配置されたオリフィスと、該オリフィスの上流側と下流側の管体の外周面に設置され、管体内を流れる流体に所定周波数の超音波を与える超音波付与手段と、
前記管体の外周面に配置され流体中を伝播した前記超音波の信号をそれぞれ検出する超音波検出手段と、
前記それぞれの信号に含まれる周波数成分を分析する分析手段と、
を備え、
前記オリフィスの下流側からの信号から前記オリフィスの上流側からの信号を減算したことを特徴とするキャビテーション検出装置。
超音波を用いて流体の状態を検出するキャビテーション検出装置において、
管体内に配置されたオリフィスと、該オリフィスの下流側に設置され、管体内を流れる流体に所定周波数のバースト波の超音波を与えるとともに流体中を伝播した前記超音波の信号を受信する超音波送受信手段と、
前記受信した信号に含まれる周波数成分を分析する分析手段と、
を備えることを特徴とするキャビテーション検出装置。
前記超音波付与手段および前記超音波検出手段がオリフィスを保持するフランジに取り付けられていることを特徴とする請求項１乃至３に記載のキャビテーション検出装置。
前記超音波送受信手段がオリフィスを保持するフランジに取り付けられていることを特徴とする請求項４に記載のキャビテーション検出装置。