JP2018066585A - 温度計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】配管外に設置される構成で、配管内の媒体の温度を精度良く計測することができる温度計測装置を提供すること。【解決手段】超音波探触子１０ａに対して超音波信号を発生させる電気信号を送信する送信部２１と、超音波探触子１０ｂに入射した超音波信号の電気信号を受信する受信部２２と、受信部２２が受信した電気信号をもとに、超音波探触子１０ａから送信された超音波信号が媒体１０２内を通過して超音波探触子１０ｂで受信するまでの第１の伝搬による第１の伝搬時間と、超音波信号が前記第１の伝搬よりも配管１００内を１回以上多く反射して伝搬する第２の伝搬による第２の伝搬時間とを算出する時間計測部２３と、前記第１の伝搬時間と前記第２の伝搬時間との差をもとに媒体１０２の温度を演算する温度演算部２４と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、配管外に設置される構成で、配管内の媒体の温度を精度良く計測することができる温度計測装置に関する。

工場や事業所では暖房や加熱に飽和蒸気が広く使用されているが、近年の環境・エネルギーへの関心の高まりから、効率良く蒸気を使用する省エネルギー化の需要が増大している。熱エネルギーのロスを把握し、省エネルギー化を実現するためには、張り巡らされた配管を流れる蒸気の流量や温度を要所で計測し診断を行う必要がある。配管内の温度を計測する従来技術は、配管工事を行って配管内部に温度センサを設置する方法や、配管外壁に温度センサを設置し内部温度を推定する技術（特許文献１参照）がある。また、クランプオン型超音波流量計の伝搬時間差を用いて音速を算出し温度を計測することも可能である（特許文献２参照）。

特開２００６−１０４７３号公報 特開平８−２６１８０９号公報

ところで、熱電対や測温抵抗体等を用いて流体の温度を精度良く計測するには、配管内に測温部を設置する必要があるため、配管工事が必要となる。一方、特許文献１に記載された配管外壁に温度センサを設置する方法では、内部温度を直接計測することはできない。例えば、配管内部と環境温度とが著しく異なると、配管外壁と配管内部との温度も著しく異なるため、温度推定の精度が低くなる。また、クランプオン型超音波流量計を用いて音速から温度を計測する方法では、超音波プローブを構成する楔や配管を通過する伝搬時間を含み、この伝搬時間は配管外の温度に影響を受けて変化するため、配管内温度を精度良く計測することが困難であった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、配管外に設置される構成で、配管内の媒体の温度を精度良く計測することができる温度計測装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる温度計測装置は、配管外壁に設置した一対の超音波探触子から配管内の媒体に超音波を送受信し、前記媒体内を伝搬した超音波の伝搬時間をもとに前記媒体の温度を計測する温度計測装置であって、前記一対の超音波探触子の一方の超音波探触子に対して超音波信号を発生させる電気信号を送信する送信部と、前記一対の超音波探触子の他方の超音波探触子に入射した前記超音波信号の電気信号を受信する受信部と、前記受信部が受信した電気信号をもとに、前記一方の超音波探触子から送信された超音波信号が前記媒体内を通過して前記他方の超音波探触子で受信するまでの第１の伝搬による第１の伝搬時間と、前記超音波信号が前記第１の伝搬よりも前記配管内を１回以上多く反射して伝搬する第２の伝搬による第２の伝搬時間とを算出する時間計測部と、前記第１の伝搬時間と前記第２の伝搬時間との差をもとに前記媒体の温度を演算する温度演算部と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明にかかる温度計測装置は、配管外壁に設置した一対の超音波探触子から配管内の媒体に超音波を送受信し、前記媒体内を伝搬した超音波の伝搬時間をもとに前記媒体の温度を計測する温度計測装置であって、前記一対の超音波探触子の一方の超音波探触子または他方の超音波探触子に対して超音波信号を発生させる電気信号を送信する送信部と、前記一対の超音波探触子の他方の超音波探触子または一方の超音波探触子に入射した前記超音波信号の電気信号を受信する受信部と、前記一対の超音波探触子に対する前記送信部と前記受信部との接続切替を行う送受信切替部と、前記送受信切替部の接続切替制御を行う送受信切替制御部と、前記受信部が受信した電気信号をもとに、前記一方の超音波探触子から送信された超音波信号が前記媒体内を通過して前記他方の超音波探触子で受信するまでの第１の伝搬による第１の伝搬時間と、前記超音波信号が前記第１の伝搬よりも前記配管内を１回以上多く反射して伝搬する第２の伝搬による第２の伝搬時間とを算出するとともに、前記送受信切替部の接続切替後に、前記受信部が変換した電気信号をもとに、前記他方の超音波探触子から送信された超音波信号が前記媒体内を通過して前記一方の超音波探触子で受信するまでの第３の伝搬による第３の伝搬時間と、前記超音波信号が前記第３の伝搬よりも前記配管内を１回以上多く反射して伝搬する第４の伝搬による第４の伝搬時間とを算出する時間計測部と、前記第１の伝搬時間と前記第２の伝搬時間との差、及び前記第３の伝搬時間と前記第４の伝搬時間との差をもとに前記媒体の流速変化による音速変化を補正した前記媒体の温度を演算する温度演算部と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明にかかる温度計測装置は、上記の発明において、前記一対の超音波探触子は、斜角探触子であって、前記配管の軸を通る面上に配置されることを特徴とする。

また、本発明にかかる温度計測装置は、上記の発明において、前記一対の超音波探触子は、前記配管の軸を挟んで配置されることを特徴とする。

本発明によれば、配管内部の媒体のみを伝搬する時間を抽出することで、配管外壁や超音波探触子の温度変化に影響されることなく、配管内部の媒体の温度を精度高く計測することができる。

図１は、本発明の実施の形態１である温度計測装置の全体構成を示す模式図である。 図２は、受信部が受信する電気信号の波形を示す図である。 図３は、超音波信号が媒体内を１往復半した場合の経路と２往復半した場合の経路との差の経路を説明する説明図である。 図４は、本実施の形態１の制御部による温度計測処理手順を示すフローチャートである。 図５は、本実施の形態による温度計測結果を示す図である。 図６は、本発明の実施の形態２である温度計測装置の全体構成を示す模式図である。 図７は、本実施の形態２の制御部による温度計測処理手順を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための形態について説明する。

（実施の形態１）
［全体構成］
図１は、本発明の実施の形態１である温度計測装置１の全体構成を示す模式図である。図１に示すように、温度計測装置１は、制御部Ｃに送信部２１、受信部２２、及び入出力部３１が接続される。送信部２１には、超音波探触子１０ａが接続される。また、受信部２２には、超音波探触子１０ｂが接続される。

超音波探触子１０ａ，１０ｂは、それぞれ超音波振動子１１ａ，１１ｂ及び楔１２ａ，１２ｂを有する。超音波探触子１０ａ，１０ｂは、超音波振動子１１ａ，１１ｂがそれぞれ配管１００の外面１０１ａ，１０１ｂに傾斜をもって配置される。すなわち、超音波探触子１０ａ，１０ｂは斜角探触子である。超音波探触子１０ａ，１０ｂは、配管１００の軸ＣＬを含む平面上に配置されることが好ましい。また、超音波探触子１０ａ，１０ｂは、軸ＣＬを挟んで配置されることが好ましい。なお、超音波探触子１０ａ，１０ｂは、軸ＣＬに対して同一方向に設置してもよい。

送信部２１は、超音波探触子１０ａに対して超音波信号を発生させる電気信号を送信する。受信部２２は、超音波探触子１０ｂによって受信し変換された、超音波信号に対応する電気信号を受信する。

制御部Ｃは、時間計測部２３及び温度演算部２４を有する。時間計測部２３は、受信部２２が受信した電気信号をもとに、超音波探触子１０ａから送信された超音波信号が媒体１０２内を通過して超音波探触子１０ｂで受信するまでの第１の伝搬による第１の伝搬時間と、超音波信号が第１の伝搬よりも配管１００内の媒体１０２を１回以上多く反射して伝搬する第２の伝搬による第２の伝搬時間とを算出する。温度演算部２４は、第１の伝搬時間と第２の伝搬時間との差をもとに媒体１０２内の温度を演算する。

入出力部３１は、温度演算部２４で演算された結果などを表示出力するとともに、制御部Ｃに対する各種操作入力などを行う。

ここで、送信部２１から送信された所定周波数の電気信号をもとに超音波探触子１０ａは超音波信号を配管１００内に斜めに入射する。超音波振動子１１ａで発生した超音波信号は、楔１２ａ、配管１００を透過し、配管１００内の媒体１０２に入射する。媒体１０２に入射した超音波信号は、反対側の配管１００の外面１０１ｂに設置される超音波探触子１０ｂに伝搬する。媒体１０２に入射した超音波信号は配管１００内で反射可能である。媒体１０２内の超音波信号は、配管１００を介して超音波探触子１０ｂに伝搬する。超音波探触子１０ｂに入射した超音波信号は楔１２ｂを介して超音波振動子１１ｂに伝搬し、電気信号に変換される。受信部２２は、超音波振動子１１ｂによって変換された電気信号を受信する。

図２に示すように、受信部２２が受信する電気信号の波形は、超音波振動子１１ａが超音波信号を送信する時点ｔ０から、媒体１０２内をワンパスで超音波振動子１１ｂに到達する時点ｔ_Ｚで大きな受信信号を得る。また、媒体１０２内を１往復半した後、超音波振動子１１ｂに到達する時点ｔ_Ｎで大きな受信信号を得る。さらに、媒体１０２内を２往復した後、超音波振動子１１ｂに到達する時点ｔ_ＮＮで大きな受信信号を得る。

図３（ａ）は、超音波信号が媒体１０２内を１往復半した後、超音波探触子１０ｂに到達した超音波信号の経路Ｌ_Ｎを示している。また、図３（ｂ）は、超音波信号が媒体１０２内を２往復半した後、超音波探触子１０ｂに到達した超音波信号の経路Ｌ_ＮＮを示している。ここで、図３（ｃ）に示すように、経路Ｌ_Ｎと経路Ｌ_ＮＮとの差ΔＬは、配管１００内のみを１往復するため、経路Ｌ_Ｎの伝搬後の時点（時点ｔ０からの伝搬時間）ｔ_Ｎと経路Ｌ_ＮＮの伝搬後の時点（時点ｔ０からの伝搬時間）ｔ_ＮＮとの差は、配管１００内の１往復の時間となる。図３（ｃ）に示した差ΔＬの経路には、配管１００や超音波探触子１０ａ，１０ｂが含まれず、媒体１０２のみが含まれる。なお、図２に示した時点ｔ０から時点ｔ_Ｚまでの波形では、配管１００からの回り込みノイズが大きいため、ワンパス時の時点ｔ_Ｚの受信信号は温度計測に用いないことが好ましい。

［温度計測］
つぎに、媒体１０２の温度の演算について説明する。媒体（空気）１０２の音速Ｃは、
Ｃ＝√（ｋＲＴ／Ｍ） …（１）
と表せる。ただし、ｋは比熱比、Ｒは気体定数、Ｔは絶対温度、Ｍは分子量である。式（１）を温度Ｔについて解くと、次式（２）となる。
Ｔ＝Ｃ^２Ｍ／（ｋＲ） …（２）
ここで、音速Ｃは、次式（３）として表現できる。
Ｃ＝Ｌ／ｔ …（３）
ただし、Ｌは経路長、ｔは伝搬時間である。したがって、媒体１０２の温度Ｔは、次式（４）として表せる。
Ｔ＝Ｌ^２Ｍ／（ｋＲｔ^２） …（４）
すなわち、伝搬時間ｔと経路長Ｌとから温度Ｔを求めることができる。

ここで、伝搬時間ｔを、伝搬時間ｔ_Ｎと伝搬時間ｔ_ＮＮとの差とすると、経路長Ｌは差ΔＬであり、配管１００内を１往復する距離となる。したがって、配管径をＤ、打ち込み角をθとすると、経路長Ｌは、
Ｌ＝２Ｄ／cosθ …（５）
となる。したがって、式（４）より、温度Ｔは、
Ｔ＝（２Ｄ／cosθ）^２×Ｍ／（ｋＲ（ｔ_ＮＮ−ｔ_Ｎ）^２） …（６）
として求めることができる。

ここで、図４に示したフローチャートを参照して温度計測処理手順について説明する。上述したように、制御部Ｃは、送信部２１を介して超音波探触子１０ａから超音波信号を送信させ、超音波探触子１０ｂで受信した超音波信号の電気信号を受信部２２で受信する（ステップＳ１０１）。その後、時間計測部２３が、超音波信号の経路Ｌ_Ｎに対応する第１の伝搬時間ｔ_Ｎと経路Ｌ_ＮＮに対応する第２の伝搬時間ｔ_ＮＮとを算出する（ステップＳ１０２）。その後、温度演算部２４が、超音波信号の経路Ｌ_Ｎと経路Ｌ_ＮＮと差である１往復分の距離に対応する伝搬時間（ｔ_ＮＮ−ｔ_Ｎ）から媒体１０２の温度Ｔを演算し（ステップＳ１０３）、本処理を終了する。

図５は、本実施の形態１による温度計測結果を示す図である。図５では、媒体１０２の温度を、白金測温抵抗体を用いて計測し、この計測温度を参照温度としている。図５に示すように、参照温度が０℃、１０℃、２０℃、３０℃、４０℃の媒体１０２について本実施の形態１の温度計測装置１を用いて計測した場合、誤差は±１℃以内であり、本温度計測装置１によって精度高く温度計測できることがわかる。

本実施の形態１では、配管１００内部の媒体１０２のみを伝搬する時間を抽出して温度計測しているので、配管外壁や超音波探触子１０ａ，１０ｂの温度変化に影響されず、媒体１０２の温度を精度良く計測することができる。

（実施の形態２）
［全体構成］
本実施の形態２では、媒体１０２が配管１００内を流れる流体である場合であっても媒体１０２の温度を精度高く計測できるようにしている。図６は、本実施の形態２である温度計測装置２の全体構成を示す模式図である。図６に示すように、温度計測装置２は、温度計測装置１に対して、さらに送受信切替部３３ａ，３３ｂと、制御部Ｃ内に送受信切替制御部２５とを備える。送受信切替部３３ａ，３３ｂは、切替によってそれぞれ送信部２１及び受信部２２に接続されている。送受信切替部３３ａは、初期状態で、送信部２１に接続される。また、送受信切替部３３ｂは、初期状態で、受信部２２に接続されている。その他の構成は、温度計測装置１と同じである。

[温度計測]
ここで、図７に示したフローチャートを参照して本実施の形態２による温度計測処理手順について説明する。まず、制御部Ｃは、送受信切替部３３ａ，３３ｂが初期状態の切替状態で、超音波信号の送受信を行う（ステップＳ２０１）。その後、ステップＳ１０２と同様に、第１の伝搬時間及び第２の伝搬時間を算出する（ステップＳ２０２）。その後、送受信切替制御部２５は、送受信切替部３３ａ，３３ｂの接続状態を切り替える（ステップＳ２０３）。この切り替えた状態で、超音波信号の送受信を行う（ステップＳ２０４）。すなわち、超音波信号の送受信方向を切り替える。そして、ステップＳ２０２と同様に、第１の伝搬時間に対応する第３の伝搬時間と第２の伝搬時間に対応する第４の伝搬時間とを算出する（ステップＳ２０５）。

その後、温度演算部２４は、第１の伝搬時間と第２の伝搬時間との差と、第３の伝搬時間と第４の伝搬時間との差とをもとに、媒体１０２の流速変化による音速変化を補正した媒体１０２の温度を演算し（ステップＳ２０６）、本処理を終了する。

例えば、図６に示すように、媒体１０２がＸ方向に流れている場合、超音波信号が送信部２１から受信部２２に到達する時間は、媒体１０２が静止しているときよりも、時間Δｔだけ早くなる。したがって、伝搬時間ｔ_Ｎは、媒体１０２が静止しているときの伝搬時間をｔ_Ｎ０とすると、１往復半で、時間Δｔの３倍だけ早くなる。この媒体１０２が流れているときの媒体１０２の伝搬時間ｔ_Ｎｆは、
ｔ_Ｎｆ＝ｔ_Ｎ０−３・Δｔ …（７）
となる。

同様にして、２往復半の伝搬時間ｔ_ＮＮに対応する伝搬時間ｔ_ＮＮｆは、
ｔ_ＮＮｆ＝ｔ_ＮＮ０−５・Δｔ …（８）
となる。

したがって、式（７），（８）から、温度Ｔは、
Ｔ＝（２Ｄ／cosθ）^２×Ｍ／（ｋＲ（ｔ_ＮＮ０−ｔ_Ｎ０−２・Δｔ）^２） …（９）
となり、温度Ｔは、２Δｔ分の誤差が生じる。

その後、送受信切替を行うと、超音波探触子１０ａ，１０ｂは同じ構造であるため、単に超音波信号の送受信方向が変わるのみである。この場合、１往復半の伝搬時間ｔ_Ｎに対応する伝搬時間ｔ_Ｎｒは、時間Δｔの３倍だけ遅くなり、
ｔ_Ｎｒ＝ｔ_Ｎ０＋３・Δｔ …（１０）
となる。

同様にして、２往復半の伝搬時間ｔ_ＮＮに対応する伝搬時間ｔ_ＮＮｒは、
ｔ_ＮＮｒ＝ｔ_ＮＮ０＋５・Δｔ …（１１）
となる。

式（７），（８），（１０），（１１）より、時間Δｔを消去し、（ｔ_ＮＮ０−ｔ_Ｎ０）について解くと、
ｔ_ＮＮ０−ｔ_Ｎ０＝｛（ｔ_ＮＮｆ−ｔ_Ｎｆ）＋（ｔ_ＮＮｒ−ｔ_Ｎｒ）｝／２ …（１２）
したがって、式（１２）を式（６）に代入すると、温度Ｔは、
Ｔ＝（２Ｄ／cosθ）^２×Ｍ／（ｋＲ［｛（ｔ_ＮＮｆ−ｔ_Ｎｆ）＋（ｔ_ＮＮｒ−ｔ_Ｎｒ）｝／２］^２） …（１３）
として求まる。

すなわち、媒体１０２の流速による伝搬時間の誤差をキャンセルし、流速による影響を補正した温度Ｔを演算することができる。

なお、上述した実施の形態１，２では、超音波信号が媒体１０２内を１往復半と２往復半との差である１往復で温度計測していたが、これに限らず、２往復以上の差で温度計測してもよい。すなわち、２つの伝搬時間の差をとる場合に、この伝搬時間差が媒体１０２内のみを経路とするものであればよい。

１，２ 温度計測装置
１０ａ，１０ｂ 超音波探触子
１１ａ，１１ｂ 超音波振動子
１２ａ，１２ｂ 楔
２１ 送信部
２２ 受信部
２３ 時間計測部
２４ 温度演算部
２５ 送受信切替制御部
３１ 入出力部
３３ａ，３３ｂ 送受信切替部
１００ 配管
１０１ａ，１０１ｂ 外面
１０２ 媒体
Ｃ 制御部
ＣＬ 軸
Ｌ_Ｎ，Ｌ_ＮＮ 経路
ｔ_Ｎ，ｔ_ＮＮ 伝搬時間
ΔＬ 差

Claims (4)

1. 配管外壁に設置した一対の超音波探触子から配管内の媒体に超音波を送受信し、前記媒体内を伝搬した超音波の伝搬時間をもとに前記媒体の温度を計測する温度計測装置であって、
   前記一対の超音波探触子の一方の超音波探触子に対して超音波信号を発生させる電気信号を送信する送信部と、
   前記一対の超音波探触子の他方の超音波探触子に入射した前記超音波信号の電気信号を受信する受信部と、
   前記受信部が受信した電気信号をもとに、前記一方の超音波探触子から送信された超音波信号が前記媒体内を通過して前記他方の超音波探触子で受信するまでの第１の伝搬による第１の伝搬時間と、前記超音波信号が前記第１の伝搬よりも前記配管内を１回以上多く反射して伝搬する第２の伝搬による第２の伝搬時間とを算出する時間計測部と、
   前記第１の伝搬時間と前記第２の伝搬時間との差をもとに前記媒体の温度を演算する温度演算部と、
   を備えたことを特徴とする温度計測装置。
2. 配管外壁に設置した一対の超音波探触子から配管内の媒体に超音波を送受信し、前記媒体内を伝搬した超音波の伝搬時間をもとに前記媒体の温度を計測する温度計測装置であって、
   前記一対の超音波探触子の一方の超音波探触子または他方の超音波探触子に対して超音波信号を発生させる電気信号を送信する送信部と、
   前記一対の超音波探触子の他方の超音波探触子または一方の超音波探触子に入射した前記超音波信号の電気信号を受信する受信部と、
   前記一対の超音波探触子に対する前記送信部と前記受信部との接続切替を行う送受信切替部と、
   前記送受信切替部の接続切替制御を行う送受信切替制御部と、
   前記受信部が受信した電気信号をもとに、前記一方の超音波探触子から送信された超音波信号が前記媒体内を通過して前記他方の超音波探触子で受信するまでの第１の伝搬による第１の伝搬時間と、前記超音波信号が前記第１の伝搬よりも前記配管内を１回以上多く反射して伝搬する第２の伝搬による第２の伝搬時間とを算出するとともに、前記送受信切替部の接続切替後に、前記受信部が変換した電気信号をもとに、前記他方の超音波探触子から送信された超音波信号が前記媒体内を通過して前記一方の超音波探触子で受信するまでの第３の伝搬による第３の伝搬時間と、前記超音波信号が前記第３の伝搬よりも前記配管内を１回以上多く反射して伝搬する第４の伝搬による第４の伝搬時間とを算出する時間計測部と、
   前記第１の伝搬時間と前記第２の伝搬時間との差、及び前記第３の伝搬時間と前記第４の伝搬時間との差をもとに前記媒体の流速変化による音速変化を補正した前記媒体の温度を演算する温度演算部と、
   を備えたことを特徴とする温度計測装置。
3. 前記一対の超音波探触子は、斜角探触子であって、前記配管の軸を通る面上に配置されることを特徴とする請求項１または２に記載の温度計測装置。
4. 前記一対の超音波探触子は、前記配管の軸を挟んで配置されることを特徴とする請求項３に記載の温度計測装置。

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