JP2020159699A - パルサレシーバ - Google Patents

Abstract

【課題】パルサレシーバにおいて、小型化を図る。【解決手段】超音波パルス発生回路２１と、超音波パルス受信回路２２と、超音波パルス受信回路２２が受信した超音波パルスをデジタル処理して送信用測定データを生成するデジタル回路２３と、デジタル回路２３がデジタル処理した送信用測定データを外部に送信する通信回路２５と、超音波パルス発生回路２１と超音波パルス受信回路２２とデジタル回路２３と通信回路２５を制御する回路２４と、超音波パルス発生回路２１と超音波パルス受信回路２２とデジタル回路２３と通信回路２５と制御回路２４に電力を供給する電源回路２６と、超音波パルス発生回路２１と超音波パルス受信回路２２とデジタル回路２３と通信回路２５と制御回路２４と電源回路２６とが実装されると共に実装面が対向するように配置される複数の基板４１，４２とを備える。【選択図】図４

Description

本発明は、超音波センサにより取得した測定データを無線により送信するパルサレシーバに関するものである。

例えば、各種のプラント設備では、排ガスなど流体を搬送するための配管が多数配置されている。このような配管では、腐食などによる減肉現象がよく知られおり、設備の健全性を維持するためには、配管の減肉傾向の監視が重要である。従来、各種の規格に基づいて定期的に配管の肉厚の定点測定を実施している。

配管の肉厚を測定する厚さ測定装置としては、下記特許文献1に記載されたものがある。

特開２０１３−１９０３９２号公報

ところで、プラント設備における配管の減肉傾向の監視を、定期点検ではなく、測定センサや通信装置を用いて常時実施することが提案されている。この場合、配管に測定センサを装着すると共に、測定センサに通信機器を接続し、測定センサが測定した測定データを通信機器により管理棟などのパソコンに送信するモニタリングシステムとなる。このモニタリングシステムでは、測定センサが配管の板厚を測定し、常時または定期的に、通信機器により測定データを送信することとなる。そのため、通信機器の小型化が求められている。

本発明は、上述した課題を解決するものであり、小型化を図るパルサレシーバを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するためのパルサレシーバは、超音波センサにより測定対象物から取得した測定データを無線により送信するパルサレシーバであって、超音波パルス発生回路と、超音波パルス受信回路と、前記超音波パルス受信回路が受信した超音波パルスをデジタル処理して送信用測定データを生成するデジタル回路と、前記デジタル回路がデジタル処理した送信用測定データを外部に送信する通信回路と、前記超音波パルス発生回路と前記超音波パルス受信回路と前記デジタル回路と前記通信回路を制御する制御回路と、前記超音波パルス発生回路と前記超音波パルス受信回路と前記デジタル回路と前記通信回路と前記制御回路に電力を供給する電源回路と、前記超音波パルス発生回路と前記超音波パルス受信回路と前記デジタル回路と前記通信回路と前記制御回路と前記電源回路とが実装されると共に実装面が対向するように配置される複数の基板と、を備えることを特徴とする。

そのため、超音波パルス発生回路と超音波パルス受信回路とデジタル回路と通信回路と制御回路と電源回路とを複数の基板に実装すると共に、実装面が対向するように複数の基板を配置することから、パルサレシーバの小型化を図ることができる。

本発明のパルサレシーバでは、前記超音波パルス発生回路と前記超音波パルス受信回路と前記デジタル回路と前記通信回路と前記制御回路と前記電源回路とが前記複数の基板の両面にそれぞれ実装されることを特徴とする。

そのため、超音波パルス発生回路と超音波パルス受信回路とデジタル回路と通信回路と制御回路と電源回路とを複数の基板の両面にそれぞれ実装されることから、パルサレシーバの更なる小型化を図ることができる。

本発明のパルサレシーバでは、前記デジタル回路と前記通信回路は、異なるグランドに配置されることを特徴とする。

そのため、ノイズが発生しやすいデジタル回路と、ノイズの影響を受けやすい通信回路を異なるグランドに配置することから、デジタル回路からのノイズが通信回路に悪影響を与えることがなくなり、通信回路の正常な動作を維持することができる。

本発明のパルサレシーバでは、前記超音波パルス発生回路と前記通信回路は、異なるグランドに配置されることを特徴とする。

そのため、ノイズが発生しやすい超音波パルス発生回路と、ノイズの影響を受けやすい通信回路を異なるグランドに配置することから、超音波パルス発生回路からのノイズが通信回路に悪影響を与えることがなくなり、通信回路の正常な動作を維持することができる。

本発明のパルサレシーバでは、前記超音波パルス発生回路および前記デジタル回路と、前記通信回路は、前記複数の基板の異なる面に配置されることを特徴とする。

そのため、ノイズが発生しやすい超音波パルス発生回路およびデジタル回路と、ノイズの影響を受けやすい通信回路を基板の異なる面に配置することから、超音波パルス発生回路やデジタル回路からのノイズが通信回路に悪影響を与えることがなくなり、通信回路の正常な動作を維持することができる。

本発明のパルサレシーバでは、前記複数の基板は、所定隙間を空けて配置され、複数のスベーサにより中空形状をなす筐体の内部に収容支持されることを特徴とする。

そのため、複数の基板を所定隙間を空けて配置し、複数のスベーサにより中空形状をなす筐体の内部に収容支持することから、複数の基板を効率良く筐体の内部に収容することで、小型化に寄与することができる。

本発明のパルサレシーバでは、前記スベーサおよび筐体を導電性部材とし、少なくとも前記超音波パルス発生回路と前記デジタル回路が配置されるグランドと前記スベーサとの間にコンデンサが接続されることを特徴とする。

そのため、超音波パルス発生回路とデジタル回路が配置されるグランドと導電性部材であるスベーサとの間にコンデンサを接続することから、超音波パルス発生回路やデジタル回路からのノイズをコンデンサによりスベーサから筐体へ逃がすことができ、超音波パルス発生回路やデジタル回路からのノイズが通信回路に悪影響を与えることがなくなり、通信回路の正常な動作を維持することができる。

本発明のパルサレシーバによれば、小型化を図ることができる。

図１は、本実施形態のパルサレシーバが適用されたモニタリングシステムを表す概略構成図である。 図２は、超音波センサの測定データを概略図である。 図３は、本実施形態のパルサレシーバを表す概略構成図である。 図４は、本実施形態のパルサレシーバにおける回路の実装状態を表す断面図である。

以下に添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。

図１は、本実施形態のパルサレシーバが適用されたモニタリングシステムを表す概略構成図、図２は、超音波センサの測定データを概略図である。

本実施形態のモニタリングシステム１０は、超音波センサ１１と、パルサレシーバ１２と、データ収集用パソコン１３とを備える。なお、データ収集用パソコン１３にモニタリング用パソコン（図示略）を接続してもよい。

超音波センサ１１は、例えば、配管（測定対象物）１０１の外周面１０２に密着して装着される。この場合、超音波センサ１１の数は、１個に限らず複数設けることができる。超音波センサ１１は、図示しないが、発信器と受信器を有する、発信器は、配管１０１の内部に向けて超音波Ｓを発信する。配管１０１の外周面から発信された超音波Ｓは、配管１０１の外周面１０２で反射し、受信器は、この反射波を１次反射波として受信する。また、配管１０１の外周面１０２から発信された超音波Ｓは、配管１０１の内周面１０３で反射し、受信器は、この反射波を２次反射波として受信する。そして、２次反射波は、配管１０１の外周面１０２で反射した後、配管１０１の内周面１０３で反射することから、受信器は、この反射波を３次反射波として受信する。パルサレシーバ１２は、この反射波のデータを受け取る。

すなわち、図２に示すように、超音波センサ１１が測定した測定データは、超音波Ｓの１次反射波Ｓ１、２次反射波Ｓ２、３次反射波Ｓ３、４次反射波Ｓ４、５次反射波Ｓ５・・・としてパルサレシーバ１２が受信する。ここで、反射波Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５・・・のレベルは減衰して低下するものの、反射波Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５・・・の間隔Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４・・・は同じである。そして、反射波Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５・・・の間隔Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４・・・が配管１０１の厚さに比例する。そのため、反射波Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５・・・の間隔Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４・・・に基づいて配管１０１の厚さを求める。

図３は、本実施形態のパルサレシーバを表す概略構成図、図４は、本実施形態のパルサレシーバにおける作動状態を表すタイムチャートである。

パルサレシーバ１２は、超音波パルス発生回路２１と、超音波パルス受信回路（アナログ回路）２２と、デジタル回路２３と、制御回路２４と、通信回路２５と、電源回路２６とを有する。

超音波パルス発生回路２１と超音波パルス受信回路２２は、超音波センサ１１が接続される。超音波パルス発生回路２１は、超音波センサ１１に対してパルス状の電圧を出力する。超音波パルス発生回路２１は、制御回路２４により電圧を出力する出力タイミングなどが制御される。

超音波パルス受信回路２２は、マルチプレクサ３１とアンプ３２とを有する。マルチプレクサ３１は、２つ以上の入力を１つの信号として出力するものである。すなわち、マルチプレクサ３１は、超音波パルス発生回路２１から出力されたパルス状の電圧を複数の超音波センサ１１の発信器に出力する。また、マルチプレクサ３１は、複数の超音波センサ１１の受信器から受信した反射波が変換された各電気信号を受け取る。アンプ３２は、マルチプレクサ３１からの電気信号を増幅する。

デジタル回路２３は、ＡＤ変換器３３とデジタル処理ＩＣ（ＦＰＧＡ）３４とを有する。ＡＤ変換器３３は、超音波パルス受信回路２２からのアナログ信号をデジタル信号に変換する。デジタル処理ＩＣ３４は、複数のデジタル信号、つまり、複数の超音波センサ１１による測定データを、例えば、平均化処理して送信用測定データを生成する。この場合、デジタル処理ＩＣ３４は、複数の超音波センサ１１による送信用測定データ、または、平均化処理した送信用測定データを時間に対する波形（図２参照）として制御回路２４に出力する。

制御回路２４は、処理装置（ＣＰＵ）３５とメモリ３６と温度センサＩＣ３７とを有する。処理装置（ＣＰＵ）３５は、デジタル回路２３、通信回路２５、電源回路２６、スイッチング回路２７などを制御するものである。メモリ３６は、デジタル処理ＩＣ３４がデジタル処理して生成した送信用測定データを保存するものである。温度センサＩＣ３７は、接続された温度センサ１４が検出した配管１０１（図１参照）の温度が入力される。

通信回路２５は、無線通信モジュール３８と有線通信モジュール（ＵＳＢ端子）３９とを有する。無線通信モジュール３８と有線通信モジュール３９は、デジタル処理ＩＣ３４がデジタル処理して生成した送信用測定データやメモリ３６に保存された送信用測定データを外部に送信するものである。

電源回路２６は、電池１５が接続され、超音波パルス発生回路２１、超音波パルス受信回路２２、デジタル回路２３、制御回路２４、通信回路２５に接続される。電源回路２６は、電池１５の電力を超音波パルス発生回路２１、超音波パルス受信回路２２、デジタル回路２３、制御回路２４、通信回路２５に供給する。

本実施形態のモニタリングシステム１０による配管１０１の肉厚測定は、例えば、連続監視モードと、パトロールモードがある。連続監視モードは、超音波センサ１１で測定した測定データをデータ収集用パソコン１３に無線で送信し、測定データの確認や解析を行うことで連続監視する。一方、パトロールモードは、所定時間ごとに超音波センサ１１で測定した測定データをデータ収集用パソコン１３に無線で送信し、測定データの確認や解析を行うことで定期的に監視する。

ところで、本実施形態のモニタリングシステム１０は、超音波センサ１１を配管１０１の外周面１０２に密着して装着し、この超音波センサ１１の近傍にパルサレシーバ１２を配置することから、パルサレシーバ１２の小型化が求められる。図４は、本実施形態のパルサレシーバにおける回路の実装状態を表す断面図である。

図４に示すように、本実施形態のパルサレシーバ１２は、超音波パルス発生回路２１と超音波パルス受信回路２２とデジタル回路２３と制御回路２４と通信回路２５と電源回路２６とが複数（本実施形態では、２枚）の絶縁体である基板４１，４２の両面に実装され、この基板４１，４２は、実装面が所定隙間をあけて対向するように配置される。

すなわち、筐体５１は、天井部５２と、底部５３と、４個の側部５４からなる中空の箱型形状をなす。第１基板４１は、表面に第１グランド６１が設けられ、裏面に第２グランド６２が設けられる。また、第２基板４２は、表面に第３グランド６３が設けられ、裏面に第４グランド６４が設けられる。第１基板４１と第２基板４２は、４隅に棒形状をなすスベーサ５５が貫通して固定される。スベーサ５５は、軸方向の一端が天井部５２に固定され、他端が底部５３に固定される。そのため、第１基板４１と第２基板４２は、第１グランド６１と天井部５２との間に所定隙間が確保され、第２グランド６２と第３グランド６３との間に所定隙間が確保され、第４グランド６４と底部５３との間に所定隙間が確保される。

第１基板４１は、第１グランド６１に制御回路２４と通信回路２５と電源回路２６が実装され、内部に各回路２４，２５，２６用の信号線６５が配置される。また、第１基板４１は、第２グランド６２にデジタル回路２３が実装され、内部にデジタル回路２３用の信号線６６が配置される。第２基板４２は、第３グランド６３に超音波パルス発生回路２１が実装され、内部に超音波パルス発生回路２１用の信号線６７が配置される。また、第２基板４２は、第４グランド６４に超音波パルス受信回路２２が実装され、内部に超音波パルス受信回路２２用の信号線６８が配置される。

パルサレシーバ１２は、２枚の積層配置された基板４１，４２の両面に超音波パルス発生回路２１と超音波パルス受信回路２２とデジタル回路２３と制御回路２４と通信回路２５と電源回路２６が実装されることから、ノイズが発生しやすい。ノイズの発生源としては、超音波パルス発生回路２１やデジタル回路２３があり、ノイズの影響を受けやすいものとしては、通信回路２５がある。

そのため、デジタル回路２３と通信回路２５は、異なるグランド６１，６２に配置される。また、超音波パルス発生回路２１と通信回路２５は、異なるグランド６２，６３に配置される。更に、超音波パルス発生回路２１およびデジタル回路２３と、通信回路２５は、基板４１，４２の異なる面に配置される。

また、筐体５１とスベーサ５５は、導電性部材である。そして、超音波パルス発生回路２１が実装された第３グランド６３とスベーサ５５との間にコンデンサ７１が接続されると共に、デジタル回路２３が配置される第２グランド６２とスベーサ５５との間にコンデンサ７２が接続される。超音波パルス発生回路２１やデジタル回路２３は、直流電圧で動作する電子機器であり、交流成分は動作を不安定にするノイズとなりやすい。コンデンサ７１，７２は、直流電流を遮断し、交流電流を通すという特長がありことから、超音波パルス発生回路２１やデジタル回路２３からのノイズ（交流成分）がコンデンサ７１，７２を通してグランドとしての筐体５１に逃がすことができ、不要なノイズを除去することができる。

このように本実施形態のパルサレシーバにあっては、超音波パルス発生回路２１と、超音波パルス受信回路２２と、超音波パルス受信回路２２が受信した超音波パルスをデジタル処理して送信用測定データを生成するデジタル回路２３と、デジタル回路２３がデジタル処理した送信用測定データを外部に送信する通信回路２５と、超音波パルス発生回路２１と超音波パルス受信回路２２とデジタル回路２３と通信回路２５を制御する回路２４と、超音波パルス発生回路２１と超音波パルス受信回路２２とデジタル回路２３と通信回路２５と制御回路２４に電力を供給する電源回路２６と、超音波パルス発生回路２１と超音波パルス受信回路２２とデジタル回路２３と通信回路２５と制御回路２４と電源回路２６とが実装されると共に実装面が対向するように配置される複数の基板４１，４２とを備える。

そのため、超音波パルス発生回路２１と超音波パルス受信回路２２とデジタル回路２３と通信回路２５と制御回路２４と電源回路２６とを複数の基板４１，４２に実装すると共に、実装面が対向するように複数の基板４１，４２を配置することから、パルサレシーバ１２の小型化を図ることができる。

本実施形態のパルサレシーバでは、超音波パルス発生回路２１と超音波パルス受信回路２２とデジタル回路２３と通信回路２５と制御回路２４と電源回路２６とを複数の基板４１，４２の両面にそれぞれ実装する。そのため、パルサレシーバ１２の更なる小型化を図ることができる。

本実施形態のパルサレシーバでは、デジタル回路２３と通信回路２５を異なるグランド６１，６２に配置する。そのため、ノイズが発生しやすいデジタル回路２３と、ノイズの影響を受けやすい通信回路２５を異なるグランド６１，６２に配置することから、デジタル回路２３からのノイズが通信回路２５に悪影響を与えることがなくなり、通信回路２５の正常な動作を維持することができる。

本実施形態のパルサレシーバでは、超音波パルス発生回路２１と通信回路２５を異なるグランド６１，６３に配置する。そのため、ノイズが発生しやすい超音波パルス発生回路２１と、ノイズの影響を受けやすい通信回路２５を異なるグランド６１，６３に配置することから、超音波パルス発生回路２１からのノイズが通信回路２５に悪影響を与えることがなくなり、通信回路２５の正常な動作を維持することができる。

本実施形態のパルサレシーバでは、超音波パルス発生回路２１およびデジタル回路２３と、通信回路２５を、複数の基板４１，４２の異なる面に配置する。そのため、ノイズが発生しやすい超音波パルス発生回路２１およびデジタル回路２３と、ノイズの影響を受けやすい通信回路２５を基板４１，４２の異なる面に配置することから、超音波パルス発生回路２１やデジタル回路２３からのノイズが通信回路２５に悪影響を与えることがなくなり、通信回路２５の正常な動作を維持することができる。

本実施形態のパルサレシーバでは、複数の基板４１，４２は、所定隙間を空けて配置され、複数のスベーサ５５により中空形状をなす筐体５１の内部に収容支持される。そのため、複数の基板４１，４２を効率良く筐体５１の内部に収容することで、パルサレシーバ１２の小型化に寄与することができる。

本実施形態のパルサレシーバでは、スベーサ５５および筐体５１を導電性部材とし、少なくとも超音波パルス発生回路２１とデジタル回路２３が配置されるグランド６２，６３とスベーサ５５との間にコンデンサ７１，７２を接続する。そのため、超音波パルス発生回路２１やデジタル回路２３からのノイズをコンデンサ７１，７２によりスベーサ５５から筐体５１へ逃がすことができ、超音波パルス発生回路２１やデジタル回路２３からのノイズが通信回路２５に悪影響を与えることがなくなり、通信回路２５の正常な動作を維持することができる。

なお、上述した実施形態にて、超音波パルス発生回路２１と超音波パルス受信回路２２とデジタル回路２３と通信回路２５と制御回路２４と電源回路２６を２枚の基板４１，４２に実装したが、３枚以上の基板に実装してもよい。

また、上述した実施形態にて、本発明のパルサレシーバを配管１０１の肉厚の測定に適用したが、この用途に限定されるものではない。例えば、配管や貯留槽の内部にある流体の液面の位置を測定したり、部材の損傷部の位置を測定したりする作業に適用することができる。

１０ モニタリングシステム
１１ 超音波センサ
１２ パルサレシーバ
１３ データ収集用パソコン
１４ 温度センサ
１５ 電池
２１ 超音波パルス発生回路
２２ 超音波パルス受信回路（アナログ回路）
２３ デジタル回路
２４ 制御回路
２５ 通信回路
２６ 電源回路
３１ マルチプレクサ
３２ アンプ
３３ ＡＤ変換器
３４ デジタル処理ＩＣ
３５ 処理装置
３６ メモリ
３７ 温度センサＩＣ
３８ 無線通信モジュール
３９ 有線通信モジュール
４１ 第１基板
４２ 第２基板
５１ 筐体
５２ 天井部
５３ 底部
５４ 側部
５５ スベーサ
６１ 第１グランド
６２ 第２グランド
６３ 第３グランド
６４ 第４グランド
６５，６６，６７，６８ 信号線
７１，７２ コンデンサ
１０１ 配管（測定対象物）
１０２ 外周面
１０３ 内周面
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５ 反射波
Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４ 間隔

Claims (7)

1. 超音波センサにより測定対象物から取得した測定データを無線により送信するパルサレシーバであって、
   超音波パルス発生回路と、
   超音波パルス受信回路と、
   前記超音波パルス受信回路が受信した超音波パルスをデジタル処理して送信用測定データを生成するデジタル回路と、
   前記デジタル回路がデジタル処理した送信用測定データを外部に送信する通信回路と、
   前記超音波パルス発生回路と前記超音波パルス受信回路と前記デジタル回路と前記通信回路を制御する制御回路と、
   前記超音波パルス発生回路と前記超音波パルス受信回路と前記デジタル回路と前記通信回路と前記制御回路に電力を供給する電源回路と、
   前記超音波パルス発生回路と前記超音波パルス受信回路と前記デジタル回路と前記通信回路と前記制御回路と前記電源回路とが実装されると共に実装面が対向するように配置される複数の基板と、
   を備えることを特徴とするパルサレシーバ。
2. 前記超音波パルス発生回路と前記超音波パルス受信回路と前記デジタル回路と前記通信回路と前記制御回路と前記電源回路とが前記複数の基板の両面にそれぞれ実装されることを特徴とする請求項１に記載のパルサレシーバ。
3. 前記デジタル回路と前記通信回路は、異なるグランドに配置されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のパルサレシーバ。
4. 前記超音波パルス発生回路と前記通信回路は、異なるグランドに配置されることを特徴とする請求項３に記載のパルサレシーバ。
5. 前記超音波パルス発生回路および前記デジタル回路と、前記通信回路は、前記複数の基板の異なる面に配置されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のパルサレシーバ。
6. 前記複数の基板は、所定隙間を空けて配置され、複数のスベーサにより中空形状をなす筐体の内部に収容支持されることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のパルサレシーバ。
7. 前記スベーサおよび筐体を導電性部材とし、少なくとも前記超音波パルス発生回路と前記デジタル回路が配置されるグランドと前記スベーサとの間にコンデンサが接続されることを特徴とする請求項６に記載のパルサレシーバ。

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