JP2013140029A - 液面レベル計測装置、方法及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】容器に収容した液体が沸騰していても、液面レベルを高精度に計測することができる液面レベル計測技術を提供する。
【解決手段】超音波の送信及び受信をする超音波センサ１５（１５_m；１≦ｍ≦Ｍ）と、これら複数の位置のうちいずれか一つの超音波センサ１５を対象にして超音波の送信及び受信を制御する送受信制御部１１と、容器２１の内表面をＮ回反射（Ｎ：自然数）した超音波のうち少なくとも２≦Ｎを満たす超音波の強度を検出する強度検出部１２と、この検出した超音波の強度に基づいて前記内表面における反射点が液体２２及び気体２４のいずれに接しているかを判定する気液判定部１３と、複数の位置の超音波センサ１５_m（１≦ｍ≦Ｍ）の各々から導かれた気液判定結果に基づいて液体の液面レベル２３を判定するレベル判定部１４と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、容器に収容される液体の液面レベルを、超音波を用いて計測する液面レベル計測技術に関する。

超音波を用いた液面レベル計測技術は、液体を収容する容器の外表面に超音波センサを配置して超音波を送信し、その内表面を反射して受信されたエコー波の強度減衰率が、その反射点が液体に接しているか気体に接しているかによって相違する現象を利用する。
つまり、気体と容器との界面を反射した超音波はほとんど減衰しないが、液体と容器との界面を反射した超音波は減衰が観測される。
そして、容器の内表面の天地方向に沿う複数の超音波センサの各々の配置位置が、気体及び液体のいずれに隣接するかを識別することで、液面レベル計測が実施される（例えば、特許文献１,２）。

特許第３７３２６４２号公報 特開２００１−１９４２１０号公報

ところが、上述した液面レベル計測技術では、容器に収容されている液体が沸騰している場合、気中の蒸気や液中のボイドの影響を受け、反射した超音波の強度減衰率が、時間および空間に依存して変動してしまう。このために、液面レベル計測の精度が低下する課題がある。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、容器に収容した液体が沸騰していても、液面レベルを高精度に計測することができる液面レベル計測技術を提供することを目的とする。

液面レベル計測装置において、液体を収容する容器の外表面の複数の位置に設置されるとともに超音波の送信及び受信をする超音波センサと、前記複数の位置のうちいずれか一つの超音波センサを対象にして前記超音波の送信及び受信を制御する送受信制御部と、前記容器の内表面をＮ回反射（Ｎ：自然数）した前記超音波のうち少なくとも２≦Ｎを満たす前記超音波の強度を検出する強度検出部と、前記検出した超音波の強度に基づいて前記内表面における反射点が前記液体及び気体のいずれに接しているかを判定する気液判定部と、前記複数の位置の超音波センサの各々から導かれた気液判定結果に基づいて前記液体の液面レベルを判定するレベル判定部と、を備えることを特徴とする。

本発明により、容器に収容した液体が沸騰していても、液面レベルを高精度に計測することができる液面レベル計測技術が提供される。

本発明に係る液面レベル計測装置の第１実施形態を示すブロック図。 各実施形態に係る液面レベル計測装置の動作を説明するフローチャート。 本発明に係る液面レベル計測装置の第２実施形態を示すブロック図。 本発明に係る液面レベル計測装置の第３実施形態を示すブロック図。 （Ａ）超音波センサで送受信される単パルスの信号波形を示すグラフ、（Ｂ）超音波センサで送受信されるパルス列の信号波形を示すグラフ。 （Ａ）気体に接する界面で反射した超音波（エコー信号）の波形を示すグラフ、（Ｂ）液体に接する界面で反射した超音波（エコー信号）の波形を示すグラフ。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に示すように、第１実施形態の液面レベル計測装置１０は、液体２２を収容する容器２１の外表面の複数の位置に設置されるとともに超音波の送信及び受信をする超音波センサ１５（１５_m；１≦ｍ≦Ｍ）と、これら複数の位置のうちいずれか一つの超音波センサ１５を対象にして超音波の送信及び受信を制御する送受信制御部１１と、容器２１の内表面をＮ回反射（Ｎ：自然数）した超音波のうち少なくとも２≦Ｎを満たす超音波の強度を検出する強度検出部１２と、この検出した超音波の強度に基づいて前記内表面における反射点が液体２２及び気体２４のいずれに接しているかを判定する気液判定部１３と、複数の位置の超音波センサ１５_m（１≦ｍ≦Ｍ）の各々から導かれた気液判定結果に基づいて液体の液面レベル２３を判定するレベル判定部１４と、を備えている。

容器２１は、炉水（液体２２）を収容する原子炉圧力容器が示されている。しかし、実施形態の液面レベル計測装置１０が適用される容器２１は、このような原子炉圧力容器に限定されることなく、その他、内部が高温多湿の容器、蒸気が充満する容器、液体２２にボイドが発生する容器、高温かつ高放射線場など苛酷環境に置かれた容器に適用される。このような容器として、例えば、軽水炉や高速炉、使用済み燃料プール、蒸気発生器などのボイラ、事故時の各種プラントなどが挙げられる。

超音波センサ１５（１５_m；１≦ｍ≦Ｍ）は、具体的に、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、燐酸ガリウム、チタン酸カルシウムビスマス、ランガサイトなどの耐熱性を有する振動子から構成される。
このように耐熱性を有する振動子を適用することにより、炉心溶融等の過酷事故が発生した場合であっても、原子炉圧力容器の液面レベルを確実に計測することができる。

超音波センサ１５を容器２１の外表面に固定する時は、軟らかい金属やジェル等の接触媒質を挟み込むことによって、超音波の伝達効率を向上させることができる。
なお、超音波センサ１５_m（１≦ｍ≦Ｍ）の数量Ｍに制限はない。さらに、単数の超音波センサ１５を移動させることにより、容器２１の外表面の複数の位置に、この超音波センサ１５を設置させることができる。

また、超音波センサは、磁石とコイルから構成される電磁超音波探触子を適用することができる。この電磁超音波探触子によれば、超音波の送受信が非接触で可能で、容器２１に対する取り付け位置の変更が容易になる。
また、磁石とコイルの配置を調整して縦波および横波の超音波を送受信することができる。また、容器２１の材質が着磁性材料である場合は、構成要素の磁石の吸着力によって電磁超音波探触子（超音波センサ１５）を固定することができる。また、カプラントや水などの接触媒質を用いる必要がなく、さらに前処理も不要である。このために、容器２１の外表面を傷付けることがなく、塗装面や酸化腐食面にも取り付けることができる。

送受信制御部１１は、一定の繰り返し周期で高電圧パルスを超音波センサ１５に送信する送信回路と、この送信先の超音波センサ１５から送られるエコー信号を受信する受信回路と、から構成されている。
この送信回路は、インパルス、矩形波、三角波、鋸波などの波形を持つ高電圧パルスを、鋼材中の伝播減衰が比較的小さい周波数範囲（数１０ｋＨｚ〜数１０ＭＨｚ）の超音波が発生するように送信する。

そして、この送受信制御部１１は、複数の位置のうちいずれか一つの超音波センサ１５_mに対し、超音波の送信及び受信をし、気液判定がなされた後に、別の超音波センサ１５_m+1に対し超音波の送信及び受信を同様に行う。

強度検出部１２は、電子回路から構成され、超音波センサ１５が容器の内表面から超音波エコーを入力した後に出力する信号波形（図６参照）に対し、周波数フィルタリングと電圧増幅を行い、その信号強度を求める。
容器２１の外表面に設置された超音波センサ１５からその内表面に向かって送信された超音波は、この内表面を透過する成分と内表面を反射する成分とに分かれる。そして、この反射成分は、外表面を透過して超音波センサ１５に検出される成分と、再び反射して内表面へ向かう成分とに分かれる。
このような反射は、超音波が減衰や散乱により消失するまで続き、容器の内表面に対する反射回数Ｎが多様な超音波エコーが超音波センサ１５に受信される。

ここで、図６に示すエコー信号のピーク波形は、左から順番に、容器２１の内表面を１回反射、２回反射、・・・Ｎ回反射したものに各々が対応している。
超音波センサ１５で受信される超音波エコーは、容器２１の内表面における反射点が気体２４であるときは信号強度が大きく、この反射点が液体２２であるときは信号強度が小さくなる。さらに、容器２１の壁内における反射の繰り返し数が増すほど、気中時と液中の信号強度の違いがより顕著になる。

この理由について説明する。内表面や外表面における反射率Ｒは、次式（１）のように表される。ここで、媒質１は容器２１を形成する鋼材であり、媒質２は容器２１の内部に収容される冷却材（液体２２）や気体２４である。この媒質２が気体２４の場合は反射率Ｒa＝１で表され、冷却材（液体２２）の場合は温度依存性を有するが概ね、Ｒw＝０．９４〜０．９７となる。ところで、冷却材（液体２２）中にボイドが含まれる場合は、Ｒw＝０．９７以上になる場合がある。
Ｒ＝（Ｚ₁−Ｚ₂）／（Ｚ₁＋Ｚ₂） (１)
（Ｚ₁：媒質１の音響インピーダンス、Ｚ₂：媒質２の音響インピーダンス）

そして、反射回数Ｎが増す毎に、超音波の反射点における媒質２が液体２２である場合の信号強度と、気体２４である場合の信号強度との相違は、（Ｒa／Ｒw）^N倍となって顕著に現れる。
このために、第１実施形態における強度検出部１２は、２≦Ｎを満たす超音波の信号強度を検出する。具体的なＮ値は、気中時と液中の信号強度の違いがより顕著に現れ、かつＳ／Ｎ比を充分に確保することができる値を実験的に選定する。

このような、超音波の信号強度は、時系列に取得したエコー信号の極大値をサーチすることにより求めることができる。
また一方で、Ｎ回反射の各々に対応する信号強度が検出される時間は、容器２１の壁厚と音速が既知であれば、超音波の伝搬速度から計算することができる。このような計算により得た時間で取得したエコー信号の強度を、Ｎ回反射の超音波エコーの各々に対応する信号強度とすることができる。

気液判定部１３は、この検出した超音波エコーの強度に基づいて容器２１の内表面における反射点が液体２２及び気体２４のいずれに接しているかを判定する。
具体的には、容器２１の壁内の超音波の伝搬減衰や、鋼材、冷却材及び気体の音響インピーダンスが既知であることから、前記式（１）に基づいて、反射点が気中及び液中の両方におけるＮ回反射のエコー波の信号強度を解析的に求めることができる。

そして、強度検出部１２で得られた信号強度の検出値が、液中及び気中のいずれの解析値に合致するかを認定することにより、該当する超音波センサ１５の位置に隣接するものが気体２４であるか又は液体２２であるかが判定される。

仮に、容器２１に収容されている液体２２が沸騰してボイドが存在したり、気体２４に蒸気が存在したりする影響により、エコー波の信号強度の安定性が低い場合であっても、Ｎ回反射（２≦Ｎ）のエコー波の信号強度の差は顕著である。このために、Ｎ回反射（２≦Ｎ）のエコー波の信号強度の検出値が、気中及び液中のいずれの解析値に合致するかについての認定は容易である。

なお、着目する超音波センサ１５の位置の気液判定は、上述したような信号強度の検出値と解析値とを照らし合わせる方法の他に、その他の位置の超音波センサ１５の信号強度と相対比較することにより実施することができる。この場合、信号強度が相対的に大きい位置は気中、小さい位置は液中と認定できる。

また、その他の気液判定方法としては、超音波センサ１５の取り付け当初におけるＮ回反射の超音波エコーの信号強度を予め記憶しておく。そして、このＮ回反射の信号強度を時系列的に検出し続け、気中から液中に変化した時の検出値が（Ｒw／Ｒa）^N倍、液中から気中になった時の検出値が（Ｒa／Ｒw）^N倍と顕著に変化することを利用して、液面レベル２３が変位したことを認識する。

レベル判定部１４は、複数の位置の超音波センサ１５_m（１≦ｍ≦Ｍ）の各々から導かれた気液判定結果に基づいて液体の液面レベル２３を判定する。
なお、液面レベル判定は、次のプロトコルに基づいてその妥当性を確認する。
（１）気中判定と液中判定の判定結果は、それぞれの判定結果が連続し、液中判定と気中判定が交互に現れることはない。
（２）液中判定が、気中判定より上側に現れることはない。

図２に基づいて各実施形態に係る液面レベル計測装置の動作を説明する（適宜図１参照）。
まず、複数の位置の超音波センサ１５_m（１≦ｍ≦Ｍ）のうちいずれか一つ（ｍ＝１）を対象にする（Ｓ１１）。そして、超音波センサ１５₁から容器２１に対して超音波を送信する（Ｓ１２）。すると、この超音波は、容器２１の内表面をＮ回反射（Ｎ：自然数）して、同じ超音波センサ１５₁に受信される（Ｓ１３）。

そして、このようにして受信された超音波のうち２≦Ｎを満たす超音波に対応するエコー波の信号強度を検出する（Ｓ１４）。この検出値に基づいて超音波センサ１５₁の配置位置が液体及び気体のいずれに隣接しているかを判定する（Ｓ１５）。

この気液判定は、着目する位置の超音波センサ１５よりも液面レベル２３が下にある場合の超音波は気体に接する界面で反射するために反射率が高く、液面レベル２３が上にある場合の超音波は液体に接する界面で反射するために反射率は低い、といった現象に基づいて行う。
一方、容器内が沸騰している場合は、気中の蒸気や液中のボイドの影響によりエコー波の信号強度が変動したり、気中と液中の反射率が僅差であったりすることから、気液判定の難易度が高くなる。しかし、各実施形態によれば、反射回数Ｎが２回以上のエコー波の信号強度を検討するために、気液判定の正確性が高度に維持される。

次に、別の超音波センサ１５₂を対象にして超音波を送信し（Ｓ１６；Ｎｏ，Ｓ１２）、同様に気液判定を繰り返す（Ｓ１３〜Ｓ１５）。そして、最後の超音波センサ１５_Nに対する気液判定が終了したところで（Ｓ１６；Ｙｅｓ）、全ての超音波センサ１５_m（１≦ｍ≦Ｍ）の各々から導かれた気液判定結果に基づいて液面レベル２３を判定する（Ｓ１７）。

（第２実施形態）
図３に示すように、第２実施形態の液面レベル計測装置１０は、第１実施形態の構成（図１）に加え、Ｎ回反射することにより減衰した強度に基づいて超音波の減衰係数を導出する減衰係数導出部１８を備えている。
そして、気液判定部１３は、この減衰係数に基づいて前記内表面における反射点が前記液体及び気体のいずれに接しているかを判定する。
なお、図３において図１と同一又は対応する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。

この減衰係数導出部１８は、電子回路から構成され、超音波センサ１５が出力するエコー波形について周波数フィルタリングと電圧増幅を行う。
そして、図６の破線に示すように、ｎ回反射（１≦ｎ≦Ｎ）の各々に対応するピーク点を結ぶ減衰曲線の減衰係数を求める。

この減衰係数は、反射点が気体（図６（Ａ））である場合よりも、液体（図６（Ｂ））である場合の方が、大きくなる。このように、超音波センサ１５において受信される１回からＮ回までのエコー信号から求めた減衰曲線の減衰係数より、容器内が気中か液中かの判定が可能となる。
この第２実施形態によれば、ｎ回反射（１≦ｎ≦Ｎ）の複数のエコー波を考慮するために、単一のエコー波のバラツキの影響が軽減されるために、気液判定の正確性が高度に維持される。

（第３実施形態）
図４に示すように、第３実施形態の液面レベル計測装置１０は、第１実施形態の構成（図１）に加え、複数のパルス列からなる超音波を生成するパルス列生成部１６を備えている。
そして、送受信制御部１１は、このパルス列からなる超音波を超音波センサ１５から送信させる。
なお、図４において図１と同一又は対応する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。

一般的に送受信される超音波は、図５（Ａ）に示すように、単パルスに近い波形を有するのに対し、第３実施形態においては、図５（Ｂ）に示すようなパルス列(連波数：ｐ＝１０)からなる。
なお、パルス列生成部１６において連波数ｐを自由設定できることとし、波形形状もスパイクパルス状、矩形波状等、任意設定することができる。

ここで、容器内が沸騰する場合には、気中の蒸気や液中のボイドの影響を受けてエコー波の信号強度の安定性が低下するため、気液判定精度の低下が懸念される。そこで、図５（Ｂ）に示される超音波パルス列を用い、連波数ｐの各パルスの強度の平均値から気液判定を実施する。
この結果、平均化により各パルスのバラツキの影響が軽減されるために、容器内の液体が沸騰している場合でも、気液判定の正確性が高度に維持される。

さらに第３実施形態の液面レベル計測装置１０は、超音波の周波数を容器２１の共振点に設定することができる周波数設定部１７を備えている。
そして、送受信制御部１１は、周波数が共振点に設定された超音波を超音波センサ１５から送信させる。

周波数設定部１７は、１０ｋＨｚ〜数１０ＭＨｚの範囲内で超音波の周波数を設定することができる。ここで共振周波数とは、超音波の半波長の整数倍の長さと容器の厚みとが一致する周波数である。原子炉圧力容器の厚さが概ね１００〜３００ｍｍにあることから、設定周波数の下限は、縦波を用いた場合、１０ｋＨｚとなる。一方、設定周波数の上限は、鋼材中の伝播減衰の影響が大きくならない程度の値で、概ね数１０ＭＨｚになる。なお、周波数の変更は、パルス電圧の時間幅を変えることで可能である。

超音波センサ１５で受信される超音波の信号強度は、共振効果によって、反射による信号強度の減衰が顕著になる。これによって、容器の内表面に接する媒体が気体又は液体であり各々の反射率が僅差であっても、共振周波数の超音波を用いることにより、各々の信号強度の差異が顕著に現れる。

さらに、連波数ｐ＝∞として、超音波センサ１５から容器２１へ連続した正弦波の超音波を送信することもできる。超音波は、容器の内表面と外表面の間で反射を繰り返し、外表面で反射する時に透過した超音波が超音波センサ１５で受信される。

なお、他の実施形態における液面レベル計測装置１０の送受信制御部１１は、共振点を含む広帯域周波数の超音波を超音波センサ１５から送信させる。
この場合の送受信制御部１１は、周波数の調整をすることなく共振周波数を利用することができるために、周波数設定部１７が不要となる。この場合、超音波センサ１５として、周波数帯域幅の広い超音波を送受信できるコンポジット探触子などを用いることが望ましい。

これにより、容器２１の厚さに対応する共振周波数を含む広帯域超音波を送受信することができ、周波数の調整作業をすることなく、超音波の検出感度を増大させることができる。なお、共振点は一つではなく幾つも存在し、複数の共振点を含む広帯域周波数を選択することができる。

以上述べた少なくともひとつの実施形態の液面レベル計測装置によれば、容器の内表面と外表面の間で多重反射した超音波のうち二回以上反射して減衰した超音波に基づいて気液判定を実施する。これにより、ボイドを含む液体と蒸気を含む気体とによって形成される液面レベルを高精度に計測することが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

また、液面レベル計測装置の構成要素は、コンピュータのプロセッサで実現することも可能であり、複数のプロセッサを液面レベル計測プログラムにより動作させることが可能である。

１０…液面レベル計測装置、１１…送受信制御部、１２…強度検出部、１３…気液判定部、１４…レベル判定部、１５（１５₁，１５₂，１５_m，１５_M、）…超音波センサ、１６…パルス列生成部、１７…周波数設定部、１８…減衰係数導出部、２１…容器、２２…液体、２３…液面レベル、２４…気体。

Claims (8)

1. 液体を収容する容器の外表面の複数の位置に設置されるとともに超音波の送信及び受信をする超音波センサと、
   前記複数の位置のうちいずれか一つの超音波センサを対象にして前記超音波の送信及び受信を制御する送受信制御部と、
   前記容器の内表面をＮ回反射（Ｎ：自然数）した前記超音波のうち少なくとも２≦Ｎを満たす前記超音波の強度を検出する強度検出部と、
   前記検出した超音波の強度に基づいて前記内表面における反射点が前記液体及び気体のいずれに接しているかを判定する気液判定部と、
   前記複数の位置の超音波センサの各々から導かれた気液判定結果に基づいて前記液体の液面レベルを判定するレベル判定部と、を備えることを特徴とする液面レベル計測装置。
2. 請求項１に記載の液面レベル計測装置において、
   前記Ｎ回反射することにより減衰した強度に基づいて超音波の減衰係数を導出する減衰係数導出部を備え、
   前記気液判定部は、前記減衰係数に基づいて前記内表面における反射点が前記液体及び気体のいずれに接しているかを判定することを特徴とする液面レベル計測装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の液面レベル計測装置において、
   複数のパルス列からなる超音波を生成するパルス列生成部を備え、
   前記送受信制御部は、このパルス列からなる超音波を超音波センサから送信させることを特徴とする液面レベル計測装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の液面レベル計測装置において、
   前記超音波の周波数を前記容器の共振点に設定することができる周波数設定部を備え、
   前記送受信制御部は、周波数が共振点に設定された超音波を超音波センサから送信させることを特徴とする液面レベル計測装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の液面レベル計測装置において、
   前記送受信制御部は、前記容器の共振点を含む広帯域周波数の超音波を超音波センサから送信させることを特徴とする液面レベル計測装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の液面レベル計測装置において、
   超音波センサは、磁石及びコイルから構成される電磁超音波探触子であることを特徴とする液面レベル計測装置。
7. 液体を収容する容器の外表面の複数の位置に設置されるとともに超音波の送信及び受信をする超音波センサのうちいずれか一つを対象にして前記超音波の送信及び受信を制御するステップと、
   前記容器の内表面をＮ回反射（Ｎ：自然数）した前記超音波のうち少なくとも２≦Ｎを満たす前記超音波の強度を検出するステップと、
   前記検出した超音波の強度に基づいて前記内表面における反射点が前記液体及び気体のいずれに接しているかを判定するステップと、
   前記複数の位置の超音波センサの各々から導かれた気液判定結果に基づいて前記液体の液面レベルを判定するステップと、を含むことを特徴とする液面レベル計測方法。
8. コンピュータに、
   液体を収容する容器の外表面の複数の位置に設置されるとともに超音波の送信及び受信をする超音波センサのうちいずれか一つを対象にして前記超音波の送信及び受信を制御するステップ、
   前記容器の内表面をＮ回反射（Ｎ：自然数）した前記超音波のうち少なくとも２≦Ｎを満たす前記超音波の強度を検出するステップ、
   前記検出した超音波の強度に基づいて前記内表面における反射点が前記液体及び気体のいずれに接しているかを判定するステップ、
   前記複数の位置の超音波センサの各々から導かれた気液判定結果に基づいて前記液体の液面レベルを判定するステップ、を実行させることを特徴とする液面レベル計測プログラム。