JP3633953B2 - 流体レベル検知システム - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、流体レベル検知システムに関し、そしてさらに特定には、しかしそれに専ら限られない英国特許第１０５６０３２号および第１４３８２７１号に開示された一般的種類のボイラー水位検知システムにに関する。
【０００２】
【従来の技術】
英国特許第１０５６０３２号および第１４３８２７１号に記載された種類のボイラー水位検知システムは代表的に、圧力容器内の水位がボイラー内の水位と実質的に同じであるように、圧力容器の頂部の近くおよびその底部の近くで、ボイラーの１端部に接続されるようになっている、時として「水コラム」（“water column”）と呼ばれる垂直に延びている円筒状の圧力容器を具備している。複数の垂直方向に間隔を隔てて配置された電極が、圧力容器内にシーリングして突出しており、そして各電極のそれぞれのレベルにおける圧力容器内の流体の電気インピーダンスを検知するのに使用されている。蒸気の最小電気インピーダンスは、水の最大電気インピーダンスよりもかなり大きいので、水／蒸気界面の位置は容易に確立することができる。この種のシステムは、現在商標ＨＹＤＲＡＳＴＥＰで、出願人によって商品化されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
蒸気タービンを駆動する蒸気を発生するそのようなボイラーに使用する高圧力蒸気発生プラントでは、高度の信頼性が要求される。これは、水位検知システムの故障が、極めて費用のかかることがあるボイラーに対する大きな損傷を生じるか、あるいは、大事故となるか、極端な場合には耐用年数の損失となる蒸気タービン内への水の進入を生じることがある。しかしながら、同時に、水位警報システムは、プラントの停止がまた非常に高くつく、不必要なプラント停止となる誤った警報信号を出すべきでないことも重要である。
この目的のため、現在のシステムは、もし、たとえば、水が蒸気部の上方で明らかに検出されると、故障指示を与えるバリデーション回路を備えている。さらに、通常蒸気部にある上部電極に関連したインピーダンス測定（または識別）回路は、殆ど一般的に経験する故障モードが水指示となるように配置され、一方、通常水の部分にある下部電極に関連したインピーダンス測定（または識別）回路は、殆ど一般的に経験する故障モードが蒸気指示となるように配置されている。
これは、バリデーション回路と組合せて、優れた信頼性および故障検出を提供するが、２つの異なる種類のインピーダンス測定回路が必要であることを意味し、かつ、通常、水の部分または蒸気部にある中間のいくつかの電極の故障およびそれらに関連したインピーダンス測定回路の故障が検出されないことがあることを意味している。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の課題はこの問題を軽減することである。
本発明によれば、第１の流体が第２の流体の下方にあり、かつ第２の流体よりも低い電気インピーダンスを有する、第１の流体と第２の流体との間の界面を検知する流体レベル検知システムが提供される、このシステムは、流体を含んでいる容器と、容器内の所定のレベルにおける流体の電気インピーダンスを検知する少くとも１つのセンサーと、検知したインピーダンスが、第２の流体の標準最小電気インピーダンスと第１の流体の標準最大電気インピーダンスとの間にある第１の所定の値以下に降下したとき第１の出力信号を発生する第１の比較器手段と、さらに、検知したインピーダンスが第１の流体の標準最小電気インピーダンスよりも低い第２の所定の値以下に降下したとき、第２の出力信号を発生する第２の比較器手段とを具備し、前記第２の出力信号が故障状態を示している。
本発明の好ましい実施例では、このシステムは、容器内に垂直方向に間隔を隔てて配置された複数の前記センサーを具備している。この場合には、システムは、前記センサーの各々に関連したそれぞれ第１および第２の比較器手段を具備していてもよい。あるいはまた、このシステムは、１つの第１の比較器手段と、１つの第２の比較器手段と、時分割多重化方式でセンサー間で第１および第２の比較器を多重化する多重化手段とを具備するか、あるいはさらに有利には、２つの第１の比較器手段と、２つの第２の比較器手段と、時分割多重化方式で第１のグループのセンサー間で１方の第１の比較器手段およびその関連した第２の比較器手段を多重化する第１の多重化手段と、時分割多重化方式で残りのセンサー間で他方の第１の比較器手段およびその関連した第２の比較器手段を多重化する第２の多重化手段とを具備してもよい、第１のグループのセンサーは、１つおきの前記垂直方向に間隔を隔てて配置されたセンサーからなる。
【０００５】
前記センサーの各々は、有利には、ギャップのレベルにおいて容器内の流体によってブリッジされる所定のギャップを規定している電極手段を具備する。この場合には、システムは好ましくは、各電極手段に対するそれぞれの基準インピーダンスと、交流基準信号を各基準インピーダンスを経て、その基準インピーダンスに関連した電極手段に加える少くとも１つの基準信号源とを具備し、それによって基準インピーダンスおよび関連した電極手段のギャップ内の流体が分圧器を形成する。
基準インピーダンス、基準信号源、および比較器手段は好ましくは、電極手段から遠隔のハウジング内に配置される、その場合には、基準インピーダンスは、有利には、それぞれ第１の結線によってその関連した電極手段の入力端子に接続される、そのような入力端子は、第２の結線によってその関連した比較器手段に接続される。この「電極当りの２つの結線」配置の結果として、各々の第２の比較器手段は、下記の事象のいづれかの発生のとき、その故障指示出力信号を発生する、
ａ）関連した電極手段のギャップの短絡、あるいはアースへの関連した電極手段の第１および第２の結線のいづれかの短絡、その場合、そのような短絡は、前記第２の所定の値よりも低いインピーダンスを生ずる；あるいは
ｂ）関連した電極手段の第１および第２の結線の破断。
【０００６】
本発明を次に添付図面を参照して説明する。
【０００７】
【実施例】
図１に示されたボイラー水位検知システムは、全体的に１０で示されており、そして細長い円筒状の圧力容器１２を具備し、この圧力容器１２は使用中、容器のそれぞれ頂部および底部に隣接している上部および下部パイプカップリング１６によってボイラー１４の１端に連結されている、したがって容器内の水位は、ボイラー内の水位と実質的に同じである。複数の垂直方向に間隔を隔てて配置された電極１８、代表的には２０の電極が、カップリング１６の間に圧力容器１２内にシーリングして突出しており、これらの電極は、容器内の標準水位２０（これは勿論ボイラー１４内の標準水位に実質的に等しい）の上下に実質的に対称に配分されている。カップリング１６は代表的に、保守および／または取替えのため圧力容器１２からの電極１８の取外しを容易にするため、閉止コックおよびドレン弁（図示せず）を含む。
各電極１８は、本出願人の英国特許第２１７３、１３８号と実質的に同じであり、そして図２で最もよく判るように、電極の本体２６を通り同軸線に延びている導体２３によって圧力容器１２の外側の端子２４に電極的に接続された検知チップ２２を具備する。検知チップ２２および同軸線の導体２３は、環状スペースおよび環状セラミック絶縁体２８によって電極本体２６から電気的に絶縁されており、後者の絶縁体２８はまた検知チップを本体に固定するのに役立っている。絶縁体２８は、検知チップ２２と電極１８の本体２６との間に検知ギャップを規定しており、このギャップは、使用中、電極レベルにおける圧力容器１２の内側の流体（水または蒸気）によってブリッジされる。蒸気の最小電気インピーダンスまたは抵抗は、水の最大電気インピーダンスまたは抵抗よりも実質的に大きいので、電極１８の検知ギャップをブリッジする流体の電気インピーダンスを検知することは、電極が水中に浸漬しているか、蒸気中に浸漬しているかの指示を与える。
【０００８】
電極１８の検知ギャップをブリッジする流体の電気インピーダンスを検知するため、発振器３０によって発生した交番信号が、ドライブ抵抗３２および第１の結線３４を経て電極１８の端子２４に加えられる。発振器３０およびドライブ抵抗３２は、回路ハウジングまたはキャビネット３６内に配置されており、このハウジング３６は、ボイラーのすぐ近くではかなり厳しい環境なので、圧力容器１２およびボイラー１４から３０メートルまで離して設けるのがよい。戻りまたはアース結線３８は、発振器３０のアースまたはゼロ電源レール４０およびキャビネット３６内の他の回路を電極１８の本体２６に接続する。
電極１８の検知ギャップをブリッジする流体のドライブ抵抗３２およびインピーダンスが、一緒に分圧器を形成し、したがって端子２４における交番電圧が電極１８の検知ギャップにおける流体インピーダンスを表わしていることは理解されるであろう。この交番電圧は、さらに他の結線４２を経てキャビネット３６内の整流増幅器４４に加えられる。したがって整流増幅器４４は、直流出力電圧Ｖを発生し、その振幅は、電極１８の検知ギャップにおける流体のインピーダンスに実質的に比例し、そしてこの直流出力信号は、第１の比較器４６の１方の入力に加えられる。比較器４６の他方の入力は、第１の基準電圧ＶＲ１を受けとるように接続されており、そのレベルは、蒸気の最小検知インピーダンスおよび水の最大検知インピーダンスに対応する整流増幅器４４によって発生した直流出力電圧のそれぞれの振幅間のほぼ真中にあるように選択される。したがって、電極が蒸気内に浸漬されると、比較器４６の出力が１方のレベル、代表的に論理０にあり、一方、電極１８が水中に浸漬していれば、比較器４６の出力は、その他方のレベル、即ち論理１にスイッチする。
【０００９】
１２の電極１８の各々は、素子３２、３４、３８、４２、４４および４６と同じである回路素子を含むインピーダンス測定（または識別）回路のそれ自体のチャンネルに接続される：この識別回路は、全体的に図１の５０で示されている。さらに、電極１８は、６つの垂直にインターリーブした２つのグループに通常分けられる、即ちそれぞれ奇数および偶数電極を含むグループに分けられ、各々のグループがそれぞれの共通の発振器３０およびそれぞれの共通の電源（図示せず）を有している：したがって：１方の電源又発振器が故障すれば、他方のグループの電極およびそれらの識別回路５０が作動し続けて、分解能は減少するが、水位検知を行なう。
識別回路５０内の比較器４６は、１方の赤が蒸気を表わし、そして１方の縁が水を表わしている２つの平行な列を形成するように配置された代表的には発光ダイオード（ＬＥＤ）の１２対の隣接した、水平に整合した指示ライトを具備している。この目的のため、そして図２に示したように、各比較器１６の出力はその縁（水）ライト５４に接続され、そしてインバータ５６を経てその赤（蒸気）ライト５８に接続される：代表的にこれらの接続は、適切なドライブ増幅器を含んでもよいが、これらは簡易化のため省かれた。したがって、表示器５２によって与えられる代表的な標準指示は、ボイラー１４内の水がその標準水位にあることを示している頂部６つの赤ライトオンおよび底部６つの縁ライトオンを有している。
【００１０】
明らかに、縁ライトが、オン（点灯）である赤ライトの上方にくれば、水が蒸気の上方にあることを意味し、故障状態が存在する（そして実際に表示器５２の縁−上方−赤指示から明らかとなる）。しかしながら、これをバックアップするために、識別回路５０の出力が、本出願人の英国特許第１０５６０３２号に記載したと全体的に類似したまたは同じであるバリデージョン回路６０に接続され、そしてこれが、もし電極１８のどれかが、蒸気の上方の水を検知したようであれば、表示器５２内の故障指示ライトを動作する。この「蒸気の上方の水」決定を助けるため、２セットのバリデーション回路が、表示器５２を経て互にクロス連結されている。
「蒸気の上方の水」バリデーション回路６０によって提供される故障検出の他に、ボイラー水位検知システム１０は、さらに他の故障検出回路を備えており、そしてこれは、電極によって検知された抵抗が所定のレベル以下に落ちたとき動作する。したがって、本出願人の観察では、代表的な分圧容器１２内に代表的な電極によって検知されたときの水の最小抵抗は、約５キロオームであり、したがってこれよりもかなり低い検知した抵抗が、故障を示しがちである。したがって、各整流増幅器４４の直流出力電圧Ｖがそれぞれの第２の比較器６４の１方の入力に加えられ、その他方の入力が、整流増幅器４４によって発生される直流電圧によって表わされるような、約３キロオームの検知したインピーダンスと等価であるように選択された第２の基準電圧ＶＲ２を受けとるように接続される。したがって比較器６４は、その電極１８が水または蒸気内に浸漬されていれば、論理０出力信号を発生し、そして整流増幅器４４によって発生した直流出力信号がＶＲ２以下に降下すれば、論理１出力信号を発生する。論理１出力信号は、奇数および偶数の電極チャンネルに関連したそれぞれのＯＲゲート６５を経て動作して、表示器１２内の他の故障指示ライトを動作する。
【００１１】
各々の検知チャンネルに、ドライブ抵抗３２を電極１８の端子に接続するため、それぞれの結線３４、４２の使用と組合せた第２の比較器６４と、整流増幅器４４の後方の端子２４と（端子２４と、ドライブ抵抗３２および整流増幅器４４の双方に接続されたキャビネット３６内の共通の端子との間に単一の結線を使用する代わりに）を設けたことは、いくつかの異なる故障を検出可能にするという結果を有している。したがって、各第２の比較器６４は、関連した結線３４、４２のいづれが切れたとき、またはアースに短絡したとき（これらの故障の双方とも整流増幅器４４から出力電圧を生じないので）、あるいは、電極１８の検知ギャップが、たとえば、セラミック絶縁体２８上の導電性堆積物の形成によって短絡したとき（これもまた整流増幅器４４から出力電圧を生じない）、表示器５２内の故障指示テストを動作する。さらに、この広範囲の故障検出は、蒸気標準および水標準電極のための異なる結線または回路装置を必要とすることなく提供される、たとえば、すべての１２のチャンネルは実質的に同じである。
多数の変更が本発明の上述の実施例に対して行なうことができる。たとえば、リレー論理が電子論理の代わりに使用できる、そして特定的に説明した以外の表示器が使用できる。また、１２以上の電極１８、代表的に１６、または１２以下の電極であることができる。後者の１２以下の場合には、電極は、２つのインターリーブしたグループに分ける必要はない、したがって１セットの識別回路５０およびバリデーション回路６０のみが使用される。限界では、単一の電極のみが使用される必要がある。
【００１２】
このシステム１０に行なうことができるさらに他の重要な変更は、多重化を含む。したがって、各セットの識別回路５０は、整流増幅器４４の入力の入力をさらに時分割多重方式で監査する電極の各々に逐次接続するための、回路の入力における多重変換装置により、素子４４、４６および６４と同じである単一チャンネルの素子を含むことができる；そのような多重変換装置が、図１の７０で示されている。多重変換装置７０と同期し、かつ表示器５２内に配置されている多重分離装置（図示せず）が、比較器４６および６４のそれぞれの出力をそれぞれのラッチまたは表示器５２の１部分を形成している他のメモリデバイスに接続し、それらのデバイスは、表示器の指示ライト５２、５８を動作するように配置されている。
最後に、簡単な抵抗測定意外のインピーダンス測定に基づいて、ボイラー水位以外の流体レベル検知に使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明によるボイラー水位検知システムの概略的ブロック線図である
【図２】図２は、図１のボイラー水位検知システムの多少線図的な、部分断面図である。
【符号の説明】
（１０） ボイラー水位検知システム
（１２） 圧力容器
（１４） ボイラー
（１６） カップリング
（１８） 電極
（２２） 検知チップ
（２６） 本体
（２８） 絶縁体
（３０） 発振器
（３２） 抵抗
（４２） 結線
（４６） 比較器
（４４） 整流増幅器
（５２） 表示器

Claims (9)

1. 第１の流体が第２の流体の下方にあり、かつ第２の流体よりも低い電気インピーダンスを有するである、第１の流体と第２の流体との間の界面のレベルを検知する流体レベル検知システムにおいて、流体を収容するための容器と、容器内の所定のレベルにおける流体の電気インピーダンスを検知する少くとも１つのセンサーと、検知したインピーダンスが、第２の流体の標準最小電気インピーダンスと第１の流体の標準最大電気インピーダンスとの間にある第１の所定の値以下に降下したとき、第１の出力信号を発生する第１の比較器手段と、さらに、検知したインピーダンスが、第１の流体の標準最小電気インピーダンスよりも低い第２の所定の値以下に降下したとき、第２の出力信号を発生する第２の比較器手段とを具備し、前記第２の出力信号が故障状態を示していることを特徴とする流体レベル検知システム。
2. 容器内に垂直方向に間隔を隔てて配置された複数の前記センサーを具備している請求項１に記載の流体レベル検知システム。
3. 前記センサーの各々に関連したそれぞれ第１および第２の比較器手段を具備している請求項２に記載の流体レベル検知システム。
4. １つの第１の比較器手段と、１つの第２の比較器手段と、時分割多重方式でセンサー間の第１および第２の比較器手段を多重化する多重化手段とを具備している請求項２に記載の流体レベル検知システム。
5. ２つの第１の比較器手段と、２つの第２の比較器手段と、時分割多重化方式で第１のグループのセンサーのセンサー間で１つの第１の比較器手段およびその関連した第２の比較器手段を多重化する第１の多重化手段と、時分割多重化方式で残りのセンサー間で他方の第１の比較器手段およびその関連した第２の比較器手段を多重化する第２の多重化手段とを具備し、第１のグループのセンサーが、１つおきの前記垂直方向に間隔を隔てて配置されたセンサーからなる請求項２に記載の流体レベル検知システム。
6. 各々のセンサーが、ギャップのレベルにおいて容器内の流体によってブリッジされる所定のギャップを間に形成する第１の電極および第２の電極を備えた電極手段を具備している請求項１乃至５のいずれか１項に記載の流体レベル検知システム。
7. 電極手段に接続された基準インピーダンスと、交流基準信号を基準インピーダンスを経て、基準インピーダンスに関連した電極手段に加える少くとも１つの基準信号源と、を具備し、それによって、基準インピーダンスおよび関連した電極手段のギャップ内の流体が、分圧器を形成する請求項６に記載の流体レベル検知システム。
8. 基準インピーダンス、基準信号源、および比較器手段が、電極手段から遠隔のハウジング内に配置される請求項７に記載の流体レベル検知システム。
9. 基準インピーダンスが、第１の結線によってその関連する電極手段の入力端子に接続されており、入力端子が、それぞれ第２の結線によって、その関連する比較手段に接続されている請求項８に記載の流体レベル検知システム。

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