JP4674007B2

JP4674007B2 - Liquid level measuring device in pipe and liquid level measuring method

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Publication number: JP4674007B2
Application number: JP2001214344A
Authority: JP
Inventors: 米村　　政雄
Original assignee: Tlv Co Ltd
Current assignee: Tlv Co Ltd
Priority date: 2001-07-13
Filing date: 2001-07-13
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2021-07-13
Also published as: JP2003028699A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、横設された配管内に存在する液体、例えば蒸気配管やガス配管等内のドレン（凝縮液）等の液位を測定する液位測定装置及び液位測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば横設された蒸気配管内にドレンが発生し滞留すると、蒸気プラント全体の生産効率が低下したり、場合によっては、プラントが停止したりするおそれがある。従って、蒸気配管内にドレンが滞留したとき、これを何らかの手段により検出し、その液位を測定できれば、蒸気プラントを管理運営する上で、非常に有効である。
【０００３】
そこで、従来、蒸気配管内のドレンの有無を検出し、その液位を測定する技術として、例えば超音波を利用するものが知られている。これは、蒸気配管の底部外側面に超音波送受信器を取り付け、この超音波送受信器から配管の内部に向けて発射した超音波が配管内のドレン液面で反射して超音波送受信器に戻って来るまでの時間を計測することにより、ドレンの液位を導出するものである。なお、配管内にドレンが滞留していない場合には、ドレン液面による超音波の反射が無いので、この反射の有無により、配管内のドレンの有無を検出できる。この技術によれば、測定対象となる蒸気配管の運転を停止させることなく、当該配管内のドレンの有無を検出し、その液位を測定できる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来技術は、飽くまで配管内のドレン液面が静止している静的状態にあることを前提とするものであって、ドレン液面が揺れていたり或いは波だったりする動的状態にある場合には、ドレンの液位を正確に測定できないという問題がある。即ち、動的状態にあるドレン液面に超音波が入射すると、この超音波は、ドレン液面において乱反射を起こす。この乱反射を受信して得た超音波送受信器の出力信号（波形）が、大きく乱れて、配管内におけるドレンの液面位置を正確に特定できなくなり、ひいてはドレン液位を正確に測定できなくなるという上記問題を生じる。
【０００５】
実際の蒸気プラントにおいては、配管内のドレンに対して、当該配管内を流通する蒸気の流れや圧力、或いは配管自体に発生する振動等の様々な機械的外力が作用する。従って、実際の配管内のドレン液面は、一般に動的状態にある。このような蒸気プラントの実状に鑑みると、上記従来技術は、蒸気配管内のドレンの液位を測定するには、極めて致命的な欠点を有していることになり、現にこのような用途では実用性を欠いていた。
【０００６】
本発明は、配管内に存在する液体の液面が動的状態にある場合でも、その液面位置を正確に特定し、ひいてはその液体の液位を正確に測定できる液位測定装置及び液位測定方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するために、本発明では、概略横設され、液面が動的状態にある液体が存在する配管の底部外側面に超音波送信部が取り付けられ、この超音波送信部は、上方に向けて略周期的に、一様な超音波を発射する。この超音波送信部の近傍またはこの超音波送信部と一体に超音波受信部が設けられている。この超音波受信部は、該超音波送信部から上記略周期的に発射される各超音波の各反射波を順次受信する。この超音波受信部が上記各反射波をそれぞれ受信する周期毎に、所定の時点を基準時点として、この基準時点から所定時間間隔が順に経過した各経過時点における上記超音波受信部による上記反射波の受信レベルを受信レベル監視手段が監視する。この受信レベル監視手段によって監視して得た隣接する２つの周期での互いに対応する上記各経過時点における各受信レベルを、比較して、これら隣接する２つの周期間での上記各経過時点における各受信レベルの変化の度合いをレベル変化検出手段が、検出する。上記各経過時点のうち上記レベル変化検出手段によって検出して得た上記受信レベルの変化の度合いが所定の値を超える時点が概ね連続する第１時間領域が存在するか否かを、判定手段が判定する。第１時間領域が存在すると、判定されたとき、第１の時間領域以外の時点、即ち上記受信レベルの変化の度合いが上記所定の値以下の時点、が連続する第２の時間領域と、第１の時間領域との境界を境界検出手段が検出する。この境界検出手段によって検出して得た上記境界の位置する時点と、上記基準時点との時間差に基づいて、上記配管内に存在する液体の液位を液位導出手段が導出する。第１の判定手段によって第１の時間領域が不存在であると判定されたとき、満水検出手段が、上記受信レベルのうち上記配管の上部内面に応じた時間の受信レベルの後に発生した予め定めた長さの第３の時間領域における上記受信レベルの大きさが、上記配管の上部内面に応じた時間の受信レベルの前に発生した上記予め定めた長さと同じ長さの第４の時間領域における上記受信レベルの大きさよりも大きいとき、満水信号を発生する。
【０００８】
なお、ここで言う超音波とは、パルス状に形成された所謂超音波パルスであって、比較的にパルス幅の狭い例えばインパルス状のものを言う。また、上記一様な超音波とは、当該超音波パルスの形態が上記各周期間で一定であることを意味し、具体的には、例えばこの超音波パルスを構成する超音波自体の周波数や、パルスの幅及び振幅等が、一定であることを意味する。
【０００９】
そして、上記超音波送信部は、例えば超音波送信専用の所謂電気−超音波変換素子により構成でき、超音波受信部は、例えば超音波受信専用の所謂超音波−電気変換素子により構成できる。そして、これら超音波送信部と超音波受信部とを上記一体に設けるとは、例えば、これら両者をそれぞれに共通の１つの筐体内に収容することにより、外観的に一体化することを意味する。また、これら超音波送信部と超音波受信部とは、送受信兼用の変換素子によっても構成できる。この１つの変換素子により超音波送信部と超音波受信部との両方を兼用することも、ここで言う上記一体の意味に含む。
【００１０】
本発明において、例えば、今、配管内に何らかの液体が存在しており、その液体の液面が揺れていたり或いは波立っていたりする等の動的状態にあるとする。この状態において、超音波送信部から超音波パルスが発射されると、この超音波パルスは、上方（配管の内側）に向かって配管の底部側壁内を伝播し、配管の底部内側面に到達する。この配管の底部内側面に到達した超音波パルスは、その大部分が、ここで反射して超音波送信部側に戻り、超音波受信部により受信される。反射しない残りの一部の超音波パルスは、引き続き上方に向かって液体内を伝播する。
【００１１】
液体内を伝播する超音波パルスは、配管内が満水でないと、液体と配管内の気体（空気）との境界である液面に到達する。この液面に到達した超音波パルスは、この液面において略完全反射して、それまでの伝播経路を戻り、超音波受信部により受信される。
【００１２】
このように、超音波送信部から発射された超音波パルスが、配管の底部内側面及び液体の液面において反射して、超音波受信部により受信されるまでの一連の動作は、超音波送信部から各超音波パルスが発射される度に、繰り返される。これにより、超音波受信部の出力信号には、配管の底部内側面による超音波パルスの反射像と、液体の液面による超音波パルスの反射像とが、繰り返し現れる。
【００１３】
ところで、上記各反射像のうち、配管の底部内側面による反射像は、超音波送信部から超音波パルスが発射されたあと、配管の底部側壁の厚さ寸法に応じた或る時間が経過した時点で、上記超音波パルスの発射周期と同じ周期で周期的に現れる。また、この反射像の形態、例えばこの反射像の振幅や位相、形状等は、上記各周期間で略一定である。これは、配管の底部内側面が、物理的に不動であり、完全な静的状態にあるからである。
【００１４】
これに対して、液面による反射像は、その振幅や位相、形状等が上記各周期ごとに異なる。これは、液面が上記動的状態にあるため、この液面に入射する超音波パルスが、乱反射を起こすからである。
【００１５】
従って、各反射像を含む超音波受信部の出力信号（波形）を周期毎に見ると、少なくとも配管の底部内側面による反射像が現れる時点から液面による反射像が現れる時点の直前までの時間領域において、超音波受信部の出力信号は、配管の底部内側面による反射像を含み、基本的に各周期間で略一定である。一方、液面による反射像が現れる時点以降の時間領域では、超音波受信部の出力信号は、液面での乱反射の影響により、周期間で変化する。このことから、超音波受信部の出力信号が各周期間で一定ある第２の時間領域とそうでない第１の時間領域との境界を捉えれば、その境界の位置する時点が、配管内における液体の液面位置に対応すると言える。そこで、本発明では、これら各時間領域の境界を捉えることにより、液面位置を特定する。
【００１６】
即ち、受信レベル監視手段により、超音波受信部の受信レベルを監視する。そして、レベル変化検出手段により、所定の時点、例えば超音波受信部により配管の底部内側面による反射波を受信した時点を基準として、この基準時点からの予め定めた時間ごとの各経過時点（ここで言う各経過時点とは、上記各周期よりも遥かに時間間隔の短い離散時間のことを言う。）における各受信レベルを、隣接する周期間で比較して、これら隣接する２周期間における受信レベルの変化の度合い、例えば変化量を、経過時点毎に検出する。そして、この検出して得た経過時点毎の受信レベルの変化量と、所定値とを、境界検出手段により比較する。ここで言う所定値とは、経過時点毎の各受信レベルが各周期間で変化するか否かを判断するための基準となる値である。即ち、境界検出手段は、受信レベルの変化量が所定値を超える時点において受信レベルが変化しているものと判断し、受信レベルの変化量が所定値以下である時点において受信レベルが概ね一定であると判断する。そして、境界検出手段は、受信レベルが各周期間で一定であると判断した時点が連続する第２の時間領域と、そうでない時点（即ち受信レベルが各周期間で変化する時点）が連続する第１の時間領域との境界を検出し、この検出して得た境界の位置する時点を、液面位置に対応する時点として特定する。
【００１７】
このように液面位置を特定できれば、これに対応する境界の時点と、超音波受信部により配管の底部内側面による反射波を受信した基準時点との時間差から、配管内における液体の液位を導出できる。この液位の導出は、液位導出手段により実行する。なお、ここでは、超音波受信部が配管の底部内側面による反射波を受信した時点を、基準時点としたが、超音波送信部が超音波パルスを発射した時点を、上記基準時点としてもよい。
【００１８】
上記の説明は、配管内に液体が満杯でないことを前提としている。配管内に液体が満杯であると、超音波パルスは、配管の上部内面において反射される。その結果、反射波には、上述した境界は現れない。一方、反射像には配管の上部内面における反射像が含まれている。この反射像は、超音波パルスが液体内を通過し、超音波受信部に戻るまでに発生するノイズ等よりも大きなピークを持っている。従って、反射波における配管内の上部内面に応じた時間の前後における予め定めた同じ長さの時間領域における受信レベルを比較し、上部内面に相当する位置よりも後に発生した受信レベルの方が大きいと満水であると判断できる。
【００１９】
また、上記時間領域には、通常複数のピークが発生するので、これらの受信レベルの合計値の大小によって満水であるか否かを判定している。
【００２０】
そして、本発明は、上述した蒸気配管やガス配管等のように、蒸気やガス等の気体を流通対象とする配管において、この配管内に発生し滞留するドレンの液位を測定するのに、応用できる。勿論、水や油等の各種液体を流通対象とする配管において、当該流通対象である液体自体の液位を測定する場合にも、本発明を応用できる。
【００２１】
また、本発明は、上記ドレン等の液体の液位を測定する液位測定装置のみならず、これと同様の原理に基づいて液位を測定する液位測定方法にも、供する。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明を、例えば蒸気配管内のドレンの液位を測定する装置及び方法に応用する場合の一実施の形態について、図１から図４を参照して説明する。
【００２３】
本実施の形態に係る液位測定装置の概略構成を図１に示す。この装置は、横設された蒸気配管１の底部外側面に取り付けられた超音波送受信器２を有している。この超音波送受信器２は、超音波送受信兼用の電気−超音波（または超音波−電気）変換素子を含み、その超音波送受信面（同図において上方側の面）を、配管１の底部外側面に密着させている。
【００２４】
超音波送受信器２は、これに接続された駆動制御部３から与えられる駆動制御信号に基づいて、超音波送信器として機能し、例えば図２（ａ）に誇張して示すような概略インパルス状の超音波パルス４、４、・・・を、上方（配管の内側）に向けて、周期的に発射する。この超音波送受信器２による各超音波パルス４、４、・・・の発射周期Ｔは、主に配管１の径寸法により決定される。概ねＴ＝数十ｍｓｅｃ乃至数百ｍｓｅｃの範囲内の値に決定される。
【００２５】
超音波送受信器２は、各超音波パルス４、４、・・・を発射したあと、これら各超音波パルス４、４、・・・の各反射波（エコー）を、順次受信し、これを電気信号Ｖ(t)（ｔは、時間を表わす所謂タイムインデックスである。）に変換して出力する。この超音波送受信器２の出力信号Ｖ(t)は、駆動制御部３に入力される。
【００２６】
駆動制御部３は、超音波送受信器の出力信号Ｖ(t)の信号レベル、換言すれば各反射波の受信レベルを、所定離散時間ごとに監視して、この監視して得たデータＶk（ｋは、時間ｔを離散時間で表わす所謂離散時間（サンプリング）インデックスであって、この離散時間ｋの時間間隔（サンプリング時間）は、上記発射周期Ｔよりも遥かに短い。）を、ＣＰＵ（中央演算処理装置）５に供給する。ＣＰＵ５は、この供給されたデータＶkから、配管１内におけるドレン６の有無、ドレン６有りの場合、その液面６１の位置（満水の場合を含む）を検出し、ひいてはドレン６の液位を導出する。このＣＰＵ５の一連の動作は、記憶部７に記憶されている制御プログラムに従って、次のように行われる。
【００２７】
例えば、今、配管１内にドレン６が発生しており、このドレン６の液面６１が、図１に誇張して示すように動的状態（揺れや波が生じている状態）にあるとする。この状態において、例えば図２に示すように、或る時刻ｔ₀において、超音波送受信器２から超音波パルス４が発射されると、この超音波パルス４は、配管１の内側に向かって配管１の底部側壁１１内を伝播し、配管１の底部内側面１２に到達する。この底部内側面１２において、配管１の底部側壁１１を構成する材料自体の物理的性質とドレン６自体の物理的性質との違いにより、超音波パルス４の伝播作用に対する音響インピーダンスが、大きく急変する。従って、この配管１の底部内側面１２に到達した超音波パルス４の大部分が、ここで反射して、それまでの伝播経路を逆行し、最終的に超音波送受信部２により受信される。これにより、超音波送受信部２の出力信号Ｖk（またはＶ(t)）には、図２（ｂ）に示すように、超音波パルス４の発射時点ｔ₀から、配管１の底部側壁１１の厚さ寸法に応じた或る時間Ｔaが経過した時点ｔ₁に、配管１の底部内側面１２による超音波パルス４の反射像４１が現れる。なお、配管１の底部内側面１２において反射しない残りの一部の超音波パルス４は、図１に矢印２１で示すように、引き続き上方に向かってドレン６内を伝播する。
【００２８】
ドレン６内を伝播する超音波パルス４は、ドレン６と配管１内の蒸気８との境界であるドレン液面６１に到達する。このドレン液面６１でも、ドレン６と蒸気８との各物理的性質の違いにより、超音波パルス４の伝搬作用に対する音響インピーダンスが、大きく急変する。従って、このドレン液面６１に到達した超音波パルス４は、この液面６１において略完全反射して、図１に矢印２２で示すように、それまでの伝播経路を逆行し、超音波送受信器２で受信される。これにより、超音波送受信部２の出力信号Ｖkには、図２（ｂ）に示すように、反射像４１が現れた時点ｔ₁から、更に配管１内のドレン６の液位に応じた時間Ｔbが経過した時点ｔ₂に、ドレン液面６１による超音波パルス４の反射像４２が現れる。
【００２９】
各反射像４１、４２は、超音波送受信器２から各超音波パルス４、４、・・・が発射される度に現れる。このうち、配管１の底部内側面１２による反射像４１は、その形態、例えば振幅や位相（超音波パルス４の発射時点から当該反射像４１が現れるまでの時間Ｔa）、或いは形状等が、各超音波パルス４、４、・・・の各発射周期Ｔ間で、常に一定である。これは、配管１の底部内側面１２が、完全な静的状態にあるからである。
【００３０】
これに対して、ドレン液面６１による反射像４２は、その形態、即ち振幅や位相（上記配管１の底部内側面１２による反射像４１が現れた時点から当該反射像４２が現れるまでの時間Ｔbまたは超音波パルス４の発射時点から当該反射像４２が現れるまでの時点Ｔa＋Ｔb）、或いは形状等が、各周期Ｔによって異なる。これは、ドレン液面６１が動的状態にあるため、このドレン液面６１に入射する超音波パルス４が、乱反射を起こすからである。
【００３１】
従って、例えば図３に示すように、超音波送受信器２の出力信号（波形）Ｖkを各周期Ｔ毎に見ると、少なくとも配管１の底部内側面１２による反射像４１が現れる時点からドレン液面６１による反射像４２が現れる時点の直前までの時間領域Ｔb'においては、超音波送受信器２の出力信号Ｖkは、配管１の底部内側面１２による反射像４１を含み、各周期Ｔ間で略一定（不変）である。一方、ドレン液面６１による反射像４２を含む当該反射像４２が現れる時点以降の時間領域Ｔcでは、同図に実線、点線及び一点鎖線で示すように、超音波送受信器２の出力信号Ｖkは、ドレン液面６１での乱反射の影響により、各周期Ｔ間で変化し、乱れを生じる。このことから、超音波送受信器２の出力信号Ｖkが各周期Ｔ間で一定である時間領域Ｔb'と、そうでない時間領域Ｔcとの境界ｔ₂'が、配管１内におけるドレン液面６１に対応する、と言える。
【００３２】
そこで、ＣＰＵ５によって、超音波送受信器２の出力信号Ｖkについて、次の数１で表わされる演算を施す。
【００３３】
【数１】

【００３４】
この数１において、ｎは、各周期Ｔの番号を表わす所謂周期番号インデックスであって、ｎ＝０、１、２、・・・である。
【００３５】
数１によれば、ＣＰＵ５は、或る周期［ｎ］における超音波送受信器２の出力信号（Ｖk）nと、その前の周期［ｎ−１］における超音波送受信器２の対応する出力信号（Ｖk）n-1とを、比較することによって、超音波送受信器２の出力信号Ｖkの各周期ｎ間における変化量を、各時点ｋ毎に導出する。この導出して得た変化量が、所定の基準値Ａよりも大きいか否かを、各時点ｋ毎に判断する。
【００３６】
所定の基準値Ａとは、超音波送受信器２の出力信号Ｖkが各周期ｎ間で変化するか否かを判断するための基準となる値を指す。従って、ＣＰＵ５は、上記変化量がこの基準値Ａ以下である時点ｋについては、その時点ｋにおいて超音波送受信器２の出力信号Ｖkが概ね一定であると判断する。一方、上記変化量が基準値Ａよりも大きくなる時点については、ＣＰＵ５は、その時点ｋにおいて超音波送受信器２の出力信号Ｖkが変化するものと判断する。
【００３７】
そして、ＣＰＵ５は、数１を満足する時点ｋが連続する時間領域Ｔb'と、数１を満足しない時点ｋが連続する時間領域Ｔcとの境界ｔ₂'を導出し、この導出して得た境界ｔ₂'を、ドレン液面６１として特定する。ＣＰＵ５は、このドレン６１の液面として特定して得た境界ｔ₂'と、所定の基準時点、例えば配管１の底部内側面１２による反射像４１が現れる時点ｔ₁との、時間差Ｔb'から、配管１内におけるドレン６の液位Ｈを導出する。具体的には、上記時間差Ｔb'にドレン６内における超音波パルス４の音速ｃを乗ずれば、ドレン６の液位Ｈを導出できる（Ｈ＝Ｔb'×ｃ）。
【００３８】
ＣＰＵ５には、例えばキーボード構成の操作部９と、例えば液晶パネル構成またはＣＲＴ構成の表示部１０が、接続されている。ＣＰＵ５は、操作部９から配管１の寸法に係るデータ、例えば配管１の内径寸法を入力すると、配管１内における単位長さ当たりのドレン６の容積を導出し、その導出結果を表示部１０に表示するようにも、構成されている。
【００３９】
更に、記憶部７内には、一般に知られている蒸気表に係るデータが記憶されている。この蒸気表は、蒸気温度または蒸気圧力を基準とし、これら各蒸気温度または蒸気圧力に対する蒸気の比容積や密度、比エンタルピ及び比エントロピ等の各値を、一覧表に纏めたものである。ＣＰＵ５は、操作部９から任意の条件、例えば配管２内の蒸気圧力を入力すると、この入力された蒸気圧力とこの蒸気圧力に基づいて上記蒸気表を参照して得た各値とにより、例えば配管内の蒸気の乾き度（蒸気とドレンとの重量比）や仕事量（エンタルピ）等の各物理量を導出し、その導出結果を表示部１０に表示するようにも構成されている。
【００４０】
上記のように、本実施の形態によれば、横設された配管１内のドレン６の液面６１が動的状態にある場合でも、その液面６１の位置を正確に特定し、ひいてはその液位Ｈを正確に測定できる。このことは、ドレン液面６１が常に動的状態にあることの多い実際の蒸気プラントにおいて、真に実用性のある液位測定装置及び液位測定方法を実現するのに、非常に有効である。
【００４１】
なお、上記ドレン６の液面６１の位置を特定するのに、本実施の形態による上記特定方法（手順）とは別に、例えば超音波送受信器２の出力信号Ｖkを平均化することにより上記液面６１による乱反射の影響を排除して、当該液面６１による反射像４２が現れる時点を検出し、ひいては当該液面６１の位置を特定する方法も考えられる。しかし、上記乱反射の影響を排除し得る程度にまで超音波送受信器２の出力信号Ｖkを平均化するには、この平均化処理にかなりの長時間を要する。また、余り長時間にわたって出力信号Ｖkを平均化処理すると、液面６１による反射像４２が潰れて、結果的に当該反射像４２を特定できなくなる。これに対して、本実施の形態（上記数１）によれば、究極には、上記周期Ｔの２周期分（２Ｔ）という短時間で、上記超音波送受信器２の出力信号Ｖkの変化を捉え、ドレン６の液面６１を特定することができる。この点においても、本実施の形態の実用性を窺える。
【００４２】
本実施の形態においては、ドレン６の液位Ｈを導出する上で、ＣＰＵ５により数１の演算を実行するよう構成したが、これに限らない。例えば、超音波送受信器２の出力信号Ｖkに対して、次の数２に示すような一般に知られている移動平均処理を施し、数１におけるＶkに代えて、この数２による移動平均処理後のデータＵkを代入してもよい。
【００４３】
【数２】

【００４４】
このように超音波送受信器２の出力信号Ｖkに対して移動平均処理等の信号平滑化処理を施すことにより、当該出力信号Ｖkに対する上述した電気的雑音等の影響を軽減できる。従って、より正確にドレン６の液面６１を導出することができ、より正確な液位Ｈの測定を実現できる。なお、数２に基づく移動平均処理は、飽くまでも電気的雑音等の影響を排除するために行うものであって、ドレン液面６１による乱反射そのものの影響を排除するために行うものではない。従って、この数２に基づく移動平均処理の対象時間は、比較的に短い時間に設定する（即ち、タップ数Ｍを比較的に小さい値とする）。
【００４５】
また、数２のように、超音波送受信器２の出力信号Ｖk自体を時刻ｋの経過に沿って平均化処理するのではなく、例えば次の数３または数４に示すように、数１に基づく演算処理を複数周期ｎにわたって平均化し、この平均化して得た値と所定の基準値ＢまたはＣ（これら各基準値Ｂ、Ｃは、状況に応じて任意に定める。）とを比較してもよい。
【００４６】
【数３】

【００４７】
【数４】

【００４８】
これら数３または数４に基づいて処理することによっても、電気的雑音等の影響を軽減でき、より正確な液位Ｈの測定を実現できる。ただし、数３及び数４に基づく処理においても、処理速度（液位Ｈの測定速度）等の観点から、数２における処理の対象時間（タップ数Ｍの値）と同様、処理の対象周期（即ち遡及周期ｐの値）を、比較的に小さ目に設定する。これらの数式は、飽くまでも一例であって、これら以外の数式に基づいて、上記超音波送受信器２の出力信号Ｖkの変化の度合いを導出してもよい。
【００４９】
上記の説明は、配管１が満水でない場合である。もし、配管８が満水であるならば、液面での反射は発生せず、配管１の上部内側面で反射が生じる。その結果、図４に示すように、超音波受信部２の出力信号には、配管１の底部内側面１２による超音波パルス４の反射像４１が現れた時点ｔ_１から配管１の上部内側面に超音波パルスが到達するのに要する時間が経過した時点ｔ_３で、配管１の上部内側面の反射像４３が生じる。
【００５０】
図４から明らかなように、この反射像４３の振幅は、この反射像４３が生じる前の超音波受信信号の出力信号（これは主にノイズであり、実際には図４に示すよりも短い周期で発生している。）の振幅よりも大きい。そこで、上述したようにして、液位６１の測定ができなかった場合、或る超音波パルスが送信されて、その反射波が受信されると、配管１の上部内側面に応じた時間（この時間は、配管１の内径、外径及び超音波パルスの速度から確定することができる）の前後それぞれにおいて予め定めた同じ時間を持つ期間Ｔｃｂ、Ｔｃａを定め、期間Ｔｃｂにおける超音波受信部２の各出力信号Ｖｋの絶対値の合計値ＴＶｃｂと、期間Ｔｃａにおける超音波受信部２の各出力信号Ｖｋの絶対値の合計値ＴＶｃａとを求める。そして、ＴＶｃｂとＴＶｃａのいずれが大きいかを判断し、ＴＶｃｂの方がＴＶｃａよりも大きいとき、満水であると判断する。この説明では、超音波パルスの１周期を基にして説明したが、連続する複数周期においてＴＶｃｂ、ＴＶｃｂを求め、これらそれぞれの平均値を求め、これら平均値同士を比較してもよい。
【００５１】
ＴＶｃｂ、ＴＶｃａを求めるに際して、出力信号Ｖｋの絶対値の合計値を用いたが、例えば出力信号Ｖｋの一方の極性のものの合計値を使用することもできる。但し、絶対値の合計値を用いた方が、ＴＶｃｂ、ＴＶｃａの精度は高くなる。
【００５２】
配管１が水位０であると、時点ｔ_３の前後においてＶｋの振幅に大きな差が生じず、ＴＶｃｂとＴＶｃａはほぼ等しくなるので、水位０であることも判明する。
【００５３】
本実施の形態では、蒸気配管１内のドレン６の液位を測定するのに本発明を応用する場合について説明したが、これに限らず、ガス配管等の他の配管におけるドレンの液位を測定するのにも本発明を応用できる。また、ドレン以外にも、例えば水や油等の各種液体を流通対象とする配管において、当該流通対象である液体自体の液位を測定する場合等にも、本発明を応用できる。
【００５４】
なお、本実施の形態における超音波送受信器２が、特許請求の範囲に記載の超音波送信部及び超音波受信部に対応し、この超音波送受信器２により超音波パルス４を送受信することが、特許請求の範囲に記載の超音波送信過程及び超音波受信過程に対応する。また、この超音波送受信兼用の超音波送受信器２に代えて、超音波送信専用の所謂超音波送信器と超音波受信専用の所謂超音波受信器とを、用いてもよい。この場合、これら超音波送信器と超音波受信器とは、それぞれ、配管１の底部外側面に、互いに近接して設ける。
【００５５】
また、本実施の形態において、駆動制御部３により超音波送受信器２の出力信号Ｖ(t)の信号レベルを監視する過程が、特許請求の範囲に記載の受信レベル監視過程に対応し、駆動制御部３が、特許請求の範囲に記載の受信レベル監視手段に対応する。これら超音波送受信器２と駆動制御部３とから成る部分は、例えば一般に知られている超音波探傷装置により構成できる。
【００５６】
そして、駆動制御部３により超音波送受信器２の出力信号Ｖ(t)の信号レベルを監視して得たデータＶkを、ＣＰＵ５により上記数１等の数式に基づいて処理することによって、当該データＶkの変化量を導出し、この導出して得た変化量からドレン液面６１を特定し、ひいてはドレン６の液位Ｈを導出する過程が、それぞれ、特許請求の範囲に記載のレベル変化検出過程、境界検出過程及び液位導出過程に対応する。そして、これら各過程をそれぞれ実行するＣＰＵ５が、特許請求の範囲に記載のレベル変化検出手段、境界検出手段及び液位導出手段に対応する。なお、このＣＰＵ５、記憶部７、操作部９及び表示部１０から成る部分は、例えば一般に知られているパーソナルコンピュータにより構成できる。
【００５７】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、横設された配管内の液体の液面が揺れていたり或いは波立っていたりする等の動的状態にある場合でも、その液体の液面位置を正確に特定し、ひいてはその液体の液位を正確に測定できる。従って、例えば上述した蒸気配管等のように、測定対象であるドレン等の液体の液面が常に動的状態にあることの多い実際の配管において、真に実用性のある液位測定を実現できる。しかも、配管内が満水の場合には、満水であることも検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る測定装置の概略構成を示す図である。
【図２】同実施の形態における超音波送受信器に係る信号を示す図で、（ａ）は、この超音波送受信器から発射される超音波パルスを示し、（ｂ）は、この超音波パルスの反射波を受信して得た超音波送受信器の出力電気信号を示す図である。
【図３】同実施の形態の原理を説明するための図で、超音波送受信器による超音波パルスの発射周期毎の当該超音波送受信器の出力電気信号を示す図である。
【図４】同実施の形態において満水の場合における超音波送受信器の出力電気信号を示す図である。
【符号の説明】
１配管
２超音波送受信器
３駆動制御部
５ＣＰＵ
６ドレン
７記憶部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a liquid level measuring apparatus and a liquid level measuring method for measuring a liquid level in a horizontally installed pipe, such as a drain (condensate) in a steam pipe or a gas pipe.
[0002]
[Prior art]
For example, if drain is generated and stays in a horizontally installed steam pipe, the production efficiency of the entire steam plant may be reduced, or the plant may be stopped in some cases. Therefore, when drain is accumulated in the steam pipe, if this can be detected by some means and its liquid level can be measured, it is very effective in managing the steam plant.
[0003]
Therefore, conventionally, for example, a technique using ultrasonic waves is known as a technique for detecting the presence or absence of drain in the steam pipe and measuring the liquid level. The ultrasonic transmitter / receiver is attached to the bottom outer surface of the steam pipe, and the ultrasonic waves emitted from the ultrasonic transmitter / receiver toward the inside of the pipe are reflected by the drain liquid surface in the pipe and returned to the ultrasonic transmitter / receiver. The liquid level of the drain is derived by measuring the time to arrive. In addition, when the drain does not remain in the piping, since there is no reflection of the ultrasonic wave by the drain liquid surface, the presence or absence of the drain in the piping can be detected by the presence or absence of this reflection. According to this technique, it is possible to detect the presence or absence of drain in the pipe and measure the liquid level without stopping the operation of the steam pipe to be measured.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above prior art is based on the premise that the drain liquid level in the pipe is in a static state until it gets tired, and the drain liquid level is in a dynamic state where the drain liquid level fluctuates or waves. In some cases, there is a problem that the liquid level of the drain cannot be measured accurately. That is, when ultrasonic waves are incident on the drain liquid surface in a dynamic state, the ultrasonic waves cause irregular reflection on the drain liquid surface. The output signal (waveform) of the ultrasonic transmitter / receiver obtained by receiving this irregular reflection is greatly disturbed, and it becomes impossible to accurately determine the drain liquid level position in the pipe, and consequently the drain liquid level cannot be measured accurately. The above problem occurs.
[0005]
In an actual steam plant, various mechanical external forces such as the flow and pressure of steam flowing in the pipe or vibration generated in the pipe itself act on the drain in the pipe. Therefore, the drain liquid level in the actual piping is generally in a dynamic state. In view of the actual situation of such a steam plant, the above prior art has extremely fatal drawbacks in measuring the liquid level of the drain in the steam pipe. Lack of practicality.
[0006]
The present invention provides a liquid level measuring device and a liquid level capable of accurately specifying the liquid level position and thus accurately measuring the liquid level even when the liquid level of the liquid existing in the pipe is in a dynamic state. An object is to provide a measurement method.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above-described object, in the present invention, an ultrasonic transmission unit is attached to a bottom outer surface of a pipe that is substantially horizontally installed and in which a liquid whose liquid level is in a dynamic state exists, and this ultrasonic transmission unit is A uniform ultrasonic wave is emitted substantially periodically upward. An ultrasonic receiving unit is provided in the vicinity of the ultrasonic transmitting unit or integrally with the ultrasonic transmitting unit. The ultrasonic wave reception unit sequentially receives the reflected waves of the ultrasonic waves emitted from the ultrasonic wave transmission unit approximately periodically. For each period in which the ultrasonic receiving unit receives each reflected wave, a predetermined time point is set. Base time As from this reference point The predetermined time intervals passed in order The reception level monitoring means monitors the reception level of the reflected wave by the ultrasonic wave reception unit at each elapsed time. The reception levels at the respective elapsed times corresponding to each other in the two adjacent periods obtained by monitoring by the reception level monitoring means are compared, and the respective levels at the respective elapsed times between the two adjacent periods are compared. The level change detecting means detects the degree of change in the reception level. The determining means determines whether or not there is a first time region in which a time point at which the degree of change in the reception level obtained by the level change detecting means among the elapsed times exceeds a predetermined value is substantially continuous. judge. When it is determined that the first time region exists, a second time region in which a time point other than the first time region, that is, a time point when the degree of change in the reception level is equal to or less than the predetermined value, continues, The boundary detection means detects the boundary with one time domain. The liquid level deriving means derives the liquid level of the liquid existing in the pipe based on the time difference between the time point of the boundary position obtained by the boundary detecting means and the reference time point. When it is determined by the first determination means that the first time region is absent, the full water detection means is predetermined after the reception level of the time corresponding to the upper inner surface of the pipe among the reception levels. A fourth time region having the same length as the predetermined length generated before the reception level of the time corresponding to the upper inner surface of the pipe, the magnitude of the reception level in the third time region of the length A full signal is generated when the received signal level is larger than the above-mentioned reception level.
[0008]
The ultrasonic wave referred to here is a so-called ultrasonic pulse formed in a pulse shape, for example, an impulse shape having a relatively narrow pulse width. Further, the uniform ultrasonic wave means that the form of the ultrasonic pulse is constant between the periods, specifically, for example, the frequency of the ultrasonic wave itself constituting the ultrasonic pulse, This means that the pulse width and amplitude are constant.
[0009]
The ultrasonic transmission unit can be configured by, for example, a so-called electric-ultrasonic conversion element dedicated for ultrasonic transmission, and the ultrasonic reception unit can be configured by, for example, a so-called ultrasonic-electric conversion element dedicated for ultrasonic reception. The provision of the ultrasonic transmission unit and the ultrasonic reception unit integrally means, for example, that they are integrated with each other by housing them in one common housing. . The ultrasonic transmission unit and the ultrasonic reception unit can also be configured by a conversion element that is used for both transmission and reception. It is also included in the above-mentioned integrated meaning to use both of the ultrasonic transmission unit and the ultrasonic reception unit by this one conversion element.
[0010]
In the present invention, for example, it is assumed that some liquid is present in the pipe, and the liquid level of the liquid is in a dynamic state such as shaking or undulating. In this state, when an ultrasonic pulse is emitted from the ultrasonic transmitter, the ultrasonic pulse propagates upward (inside the pipe) in the bottom side wall of the pipe and reaches the bottom inner side of the pipe. . Most of the ultrasonic pulse that has reached the bottom inner surface of the pipe is reflected here and returned to the ultrasonic transmitter, and is received by the ultrasonic receiver. The remaining part of the ultrasonic pulse that does not reflect continues to propagate upward in the liquid.
[0011]
If the inside of the pipe is not full, the ultrasonic pulse propagating in the liquid reaches the liquid level that is the boundary between the liquid and the gas (air) in the pipe. The ultrasonic pulse that has reached the liquid level is substantially completely reflected on the liquid level, returns to the propagation path up to that point, and is received by the ultrasonic receiving unit.
[0012]
As described above, a series of operations until the ultrasonic pulse emitted from the ultrasonic transmission unit is reflected by the bottom inner surface of the pipe and the liquid level of the liquid and received by the ultrasonic reception unit is ultrasonic transmission. Repeated as each ultrasonic pulse is fired from the section. Thereby, in the output signal of the ultrasonic receiver, the reflected image of the ultrasonic pulse from the bottom inner surface of the pipe and the reflected image of the ultrasonic pulse from the liquid surface appear repeatedly.
[0013]
By the way, among the above reflected images, the reflected image by the bottom inner surface of the pipe has passed a certain time according to the thickness dimension of the bottom side wall of the pipe after the ultrasonic pulse is emitted from the ultrasonic transmitter. At this point, it appears periodically with the same period as the ultrasonic pulse emission period. Further, the form of the reflected image, for example, the amplitude, phase, shape, etc. of the reflected image is substantially constant between the periods. This is because the bottom inner surface of the pipe is physically immobile and is in a completely static state.
[0014]
On the other hand, the reflected image by the liquid surface has a different amplitude, phase, shape and the like for each period. This is because the ultrasonic wave incident on the liquid surface causes irregular reflection because the liquid surface is in the dynamic state.
[0015]
Therefore, when the output signal (waveform) of the ultrasonic wave receiving unit including each reflected image is viewed for each period, at least the time from the time when the reflected image due to the bottom inner surface of the pipe appears until immediately before the time when the reflected image due to the liquid level appears In the region, the output signal of the ultrasonic receiving unit includes a reflection image by the bottom inner surface of the pipe, and is basically substantially constant between the periods. On the other hand, in the time region after the time point when the reflected image by the liquid surface appears, the output signal of the ultrasonic receiving unit changes between cycles due to the influence of irregular reflection on the liquid surface. From this, if the boundary between the second time region in which the output signal of the ultrasonic wave receiving unit is constant between each period and the first time region that is not so is captured, the time at which the boundary is located is the liquid in the pipe. It can be said that it corresponds to the liquid level position. Therefore, in the present invention, the liquid surface position is specified by capturing the boundaries between these time regions.
[0016]
That is, the reception level of the ultrasonic wave reception unit is monitored by the reception level monitoring means. Then, with the level change detection means as a reference, for example, a time point when the reflected wave from the inner surface of the bottom of the pipe is received by the ultrasonic receiver, each elapsed time point from the reference time point (here Each elapsed time point in (refers to a discrete time with a time interval much shorter than each of the above periods). adjacent Compare between cycles to These two adjacent The degree of change in the reception level between cycles, for example, the amount of change is detected for each elapsed time. Then, the amount of change in the reception level for each elapsed time obtained by this detection is compared with a predetermined value by the boundary detection means. The predetermined value referred to here is a value serving as a reference for determining whether or not each reception level at each elapsed time changes between periods. That is, the boundary detection means determines that the reception level changes when the amount of change in the reception level exceeds a predetermined value, and the reception level is substantially constant when the amount of change in the reception level is equal to or less than the predetermined value. Judge that there is. Then, the boundary detection means has a second time region in which the time point at which the reception level is determined to be constant in each cycle continues and a time point in which the reception level does not continue (that is, a time point in which the reception level changes between the cycles). A boundary with the first time region is detected, and a time point where the boundary obtained by the detection is located is specified as a time point corresponding to the liquid surface position.
[0017]
If the liquid level position can be identified in this way, the liquid level in the pipe can be determined from the time difference between the corresponding boundary time point and the reference time point at which the reflected wave from the bottom inner surface of the pipe is received by the ultrasonic receiving unit. Can be derived. The derivation of the liquid level is executed by the liquid level derivation means. Note that, here, the time point at which the ultrasonic receiving unit receives the reflected wave from the inner surface of the bottom of the pipe is set as the reference time point, but the time point at which the ultrasonic transmission unit emits the ultrasonic pulse may be set as the reference time point. .
[0018]
The above description assumes that the pipe is not full of liquid. When the pipe is full of liquid, the ultrasonic pulse is reflected on the upper inner surface of the pipe. As a result, the boundary described above does not appear in the reflected wave. On the other hand, the reflected image includes a reflected image on the upper inner surface of the pipe. This reflected image has a larger peak than noise or the like that occurs before the ultrasonic pulse passes through the liquid and returns to the ultrasonic receiving unit. Therefore, in the pipe in the reflected wave Depending on the inner surface The reception levels in the time domain of the same length before and after are compared, and if the reception level generated after the position corresponding to the upper inner surface is larger, it can be determined that the water level is full.
[0019]
In addition, since a plurality of peaks usually occur in the time domain, it is determined whether or not the peak is full based on the total value of these reception levels.
[0020]
And, the present invention is to measure the liquid level of the drain that is generated and stays in the pipe in the pipe that is a circulation target of gas such as steam or gas, such as the above-described steam pipe or gas pipe. Can be applied. Of course, the present invention can also be applied to the case where the level of the liquid itself that is the distribution target is measured in a pipe whose distribution target is various liquids such as water and oil.
[0021]
Further, the present invention is not only applied to a liquid level measuring device that measures the liquid level of the drain or the like, but also to a liquid level measuring method that measures the liquid level based on the same principle as this.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
An embodiment in the case where the present invention is applied to, for example, an apparatus and method for measuring the level of drain in a steam pipe will be described with reference to FIGS.
[0023]
A schematic configuration of the liquid level measuring apparatus according to the present embodiment is shown in FIG. This apparatus has an ultrasonic transmitter / receiver 2 attached to the bottom outer surface of a steam pipe 1 installed horizontally. The ultrasonic transmitter / receiver 2 includes an electric-ultrasonic (or ultrasonic-electric) conversion element that is also used for ultrasonic transmission / reception, and has an ultrasonic transmission / reception surface (upper surface in the figure) outside the bottom of the pipe 1. It is in close contact with the side.
[0024]
The ultrasonic transmitter / receiver 2 functions as an ultrasonic transmitter based on a drive control signal supplied from the drive control unit 3 connected to the ultrasonic transmitter / receiver 3, and is substantially impulse-shaped as shown exaggeratedly in FIG. Are periodically fired upward (inside the pipe). The emission period T of each ultrasonic pulse 4, 4,... By the ultrasonic transmitter / receiver 2 is mainly determined by the diameter size of the pipe 1. Generally, T is determined to be a value within a range of several tens of milliseconds to several hundreds of milliseconds.
[0025]
The ultrasonic transmitter / receiver 2 emits the ultrasonic pulses 4, 4,..., And then sequentially receives the reflected waves (echoes) of the ultrasonic pulses 4, 4,. An electrical signal V (t) (t is a so-called time index representing time) is converted and output. The output signal V (t) of the ultrasonic transceiver 2 is input to the drive control unit 3.
[0026]
The drive control unit 3 monitors the signal level of the output signal V (t) of the ultrasonic transmitter / receiver, in other words, the reception level of each reflected wave every predetermined discrete time, and the data Vk ( k is a so-called discrete time (sampling) index representing time t in discrete time, and the time interval (sampling time) of this discrete time k is much shorter than the firing period T), and CPU (center). To the arithmetic processing unit 5. The CPU 5 detects the presence / absence of the drain 6 in the pipe 1 and the position of the liquid surface 61 (including the case of full water) when there is the drain 6 from the supplied data Vk, and consequently the liquid level of the drain 6. To derive. A series of operations of the CPU 5 is performed as follows in accordance with a control program stored in the storage unit 7.
[0027]
For example, drain 6 is now generated in the pipe 1 and the liquid level 61 of this drain 6 is in a dynamic state (a state in which shaking and waves are generated) as shown exaggeratedly in FIG. To do. In this state, for example, as shown in FIG. ₀ When the ultrasonic pulse 4 is emitted from the ultrasonic transceiver 2, the ultrasonic pulse 4 propagates in the bottom side wall 11 of the pipe 1 toward the inside of the pipe 1, and the bottom inner side surface 12 of the pipe 1. To reach. In the bottom inner side surface 12, the acoustic impedance with respect to the propagation action of the ultrasonic pulse 4 greatly changes suddenly due to the difference between the physical property of the material itself constituting the bottom side wall 11 of the pipe 1 and the physical property of the drain 6 itself. . Therefore, most of the ultrasonic pulse 4 that has reached the bottom inner surface 12 of the pipe 1 is reflected here, travels backward through the propagation path, and is finally received by the ultrasonic transmission / reception unit 2. As a result, the output signal Vk (or V (t)) of the ultrasonic transmission / reception unit 2 includes the emission time t of the ultrasonic pulse 4 as shown in FIG. ₀ From time t when a certain time Ta according to the thickness dimension of the bottom side wall 11 of the pipe 1 has elapsed ₁ A reflected image 41 of the ultrasonic pulse 4 by the bottom inner side surface 12 of the pipe 1 appears. The remaining part of the ultrasonic pulse 4 that does not reflect on the bottom inner side surface 12 of the pipe 1 continues to propagate upward in the drain 6 as indicated by an arrow 21 in FIG.
[0028]
The ultrasonic pulse 4 propagating in the drain 6 reaches the drain liquid surface 61 that is a boundary between the drain 6 and the steam 8 in the pipe 1. Also on the drain liquid surface 61, the acoustic impedance with respect to the propagation action of the ultrasonic pulse 4 changes drastically due to the difference in physical properties between the drain 6 and the vapor 8. Therefore, the ultrasonic pulse 4 that reaches the drain liquid level 61 is substantially completely reflected on the liquid level 61, and as shown by an arrow 22 in FIG. 2 is received. Thereby, in the output signal Vk of the ultrasonic transmission / reception unit 2, as shown in FIG. ₁ From time t when a time Tb corresponding to the liquid level of the drain 6 in the pipe 1 has elapsed. ₂ Then, a reflected image 42 of the ultrasonic pulse 4 by the drain liquid surface 61 appears.
[0029]
Each reflected

image

41, 42 appears each time each ultrasonic pulse 4, 4,... Is emitted from the ultrasonic transceiver 2. Among these, the reflected image 41 by the bottom inner side surface 12 of the pipe 1 has its form, for example, amplitude and phase (time Ta from when the ultrasonic pulse 4 is emitted until the reflected image 41 appears), shape, etc. It is always constant between the firing periods T of the ultrasonic pulses 4, 4,. This is because the bottom inner surface 12 of the pipe 1 is in a completely static state.
[0030]
In contrast, the reflected image 42 by the drain liquid surface 61 has its form, that is, amplitude and phase (time Tb from when the reflected image 41 by the bottom inner side surface 12 of the pipe 1 appears until the reflected image 42 appears. Alternatively, the time Ta + Tb) from when the ultrasonic pulse 4 is emitted until the reflected image 42 appears, the shape, and the like vary depending on each period T. This is because, since the drain liquid surface 61 is in a dynamic state, the ultrasonic pulse 4 incident on the drain liquid surface 61 causes irregular reflection.
[0031]
Therefore, for example, as shown in FIG. 3, when the output signal (waveform) Vk of the ultrasonic transmitter / receiver 2 is viewed at each period T, the drain liquid level from the point when the reflected image 41 by the bottom inner surface 12 of the pipe 1 appears. In the time region Tb ′ immediately before the time point when the reflected image 42 by 61 appears, the output signal Vk of the ultrasonic transmitter / receiver 2 includes the reflected image 41 by the bottom inner side surface 12 of the pipe 1 and is substantially between the periods T. Constant (invariant). On the other hand, in the time region Tc after the time point at which the reflected image 42 including the reflected image 42 by the drain liquid surface 61 appears, the output signal Vk of the ultrasonic transceiver 2 is as shown by the solid line, the dotted line, and the alternate long and short dash line in FIG. , Due to the influence of irregular reflection on the drain liquid surface 61, it changes between each period T and causes disturbance. From this, the boundary t between the time region Tb ′ where the output signal Vk of the ultrasonic transceiver 2 is constant during each period T and the time region Tc where it is not. ₂ It can be said that 'corresponds to the drain liquid level 61 in the pipe 1.
[0032]
Therefore, the CPU 5 performs an operation represented by the following equation 1 on the output signal Vk of the ultrasonic transceiver 2.
[0033]
[Expression 1]

[0034]
In Equation 1, n is a so-called cycle number index representing the number of each cycle T, and n = 0, 1, 2,.
[0035]
According to Equation 1, the CPU 5 outputs the output signal (Vk) n of the ultrasonic transmitter / receiver 2 in a certain cycle [n] and the corresponding output signal of the ultrasonic transmitter / receiver 2 in the previous cycle [n-1]. By comparing (Vk) n−1, the amount of change in each period n of the output signal Vk of the ultrasonic transceiver 2 is derived for each time point k. It is determined at each time point k whether or not the amount of change obtained by this derivation is larger than a predetermined reference value A.
[0036]
The predetermined reference value A refers to a value serving as a reference for determining whether or not the output signal Vk of the ultrasonic transmitter / receiver 2 changes between the periods n. Therefore, the CPU 5 determines that the output signal Vk of the ultrasonic transceiver 2 is substantially constant at the time point k when the change amount is equal to or less than the reference value A. On the other hand, at the time when the amount of change is greater than the reference value A, the CPU 5 determines that the output signal Vk of the ultrasonic transceiver 2 changes at that time k.
[0037]
Then, the CPU 5 determines the boundary t between the time region Tb ′ where the time point k satisfying Equation 1 continues and the time region Tc where the time point k not satisfying Equation 1 continues. ₂ 'And the boundary t obtained by this derivation ₂ 'Is identified as the drain liquid level 61. The CPU 5 determines the boundary t obtained by specifying the liquid level of the drain 61. ₂ 'And a predetermined reference time point, for example, a time point t when the reflected image 41 by the bottom inner surface 12 of the pipe 1 appears. ₁ The liquid level H of the drain 6 in the pipe 1 is derived from the time difference Tb ′. Specifically, the liquid level H of the drain 6 can be derived by multiplying the time difference Tb ′ by the speed of sound c of the ultrasonic pulse 4 in the drain 6 (H = Tb ′ × c).
[0038]
For example, an operation unit 9 having a keyboard configuration and a display unit 10 having a liquid crystal panel configuration or a CRT configuration are connected to the CPU 5. When the CPU 5 inputs data related to the dimensions of the pipe 1 from the operation unit 9, for example, the inner diameter dimension of the pipe 1, the CPU 5 derives the volume of the drain 6 per unit length in the pipe 1, and displays the derived result on the display unit 10. It is also configured to display.
[0039]
Further, in the storage unit 7, data related to a generally known steam table is stored. This steam table is based on the steam temperature or steam pressure, and the values of the specific volume and density, specific enthalpy, specific entropy, etc. of the steam for each steam temperature or steam pressure are summarized in a list. When the CPU 5 inputs an arbitrary condition from the operation unit 9, for example, the steam pressure in the pipe 2, according to the input steam pressure and each value obtained by referring to the steam table based on the steam pressure, for example, Each physical quantity such as the degree of dryness of steam in the pipe (weight ratio of steam and drain) and work (enthalpy) is derived, and the derived result is displayed on the display unit 10.
[0040]
As described above, according to the present embodiment, even when the liquid level 61 of the drain 6 in the horizontally installed pipe 1 is in a dynamic state, the position of the liquid level 61 is accurately specified, and as a result The liquid level H can be measured accurately. This is very effective for realizing a truly practical liquid level measuring apparatus and liquid level measuring method in an actual steam plant where the drain liquid level 61 is always in a dynamic state. .
[0041]
In addition, in order to specify the position of the liquid surface 61 of the drain 6, the above-mentioned liquid is obtained by, for example, averaging the output signal Vk of the ultrasonic transceiver 2 separately from the specifying method (procedure) according to the present embodiment. A method is also conceivable in which the influence of irregular reflection by the surface 61 is eliminated, the point in time when the reflected image 42 by the liquid surface 61 appears, and the position of the liquid surface 61 is specified. However, in order to average the output signal Vk of the ultrasonic transmitter / receiver 2 to such an extent that the influence of the irregular reflection can be eliminated, this averaging process requires a considerably long time. Further, if the output signal Vk is averaged for a too long time, the reflected image 42 by the liquid surface 61 is crushed, and as a result, the reflected image 42 cannot be specified. On the other hand, according to the present embodiment (the above formula 1), the change in the output signal Vk of the ultrasonic transceiver 2 is ultimately reduced in a short time of two periods (2T) of the period T. The liquid level 61 of the drain 6 can be identified. Also in this respect, the practicality of the present embodiment is appreciated.
[0042]
In the present embodiment, the CPU 5 is configured to execute the calculation of Formula 1 in order to derive the liquid level H of the drain 6, but is not limited thereto. For example, a generally known moving average process as shown in the following formula 2 is performed on the output signal Vk of the ultrasonic transmitter / receiver 2, and after the moving average process according to the formula 2, instead of the Vk in the formula 1, The data Uk may be substituted.
[0043]
[Expression 2]

[0044]
In this way, by performing signal smoothing processing such as moving average processing on the output signal Vk of the ultrasonic transceiver 2, the influence of the above-described electrical noise or the like on the output signal Vk can be reduced. Therefore, the liquid level 61 of the drain 6 can be derived more accurately, and a more accurate measurement of the liquid level H can be realized. Note that the moving average processing based on Equation 2 is performed in order to eliminate the influence of electrical noise and the like until the end, and is not performed to eliminate the influence of the irregular reflection itself by the drain liquid surface 61. Therefore, the target time of the moving average process based on the number 2 is set to a relatively short time (that is, the tap number M is set to a relatively small value).
[0045]
Further, the output signal Vk itself of the ultrasonic transmitter / receiver 2 is not averaged along with the lapse of time k as shown in the equation 2, but for example, as shown in the following equation 3 or 4, the equation 1 The arithmetic processing based on this is averaged over a plurality of periods n, and a value obtained by the averaging is compared with a predetermined reference value B or C (the reference values B and C are arbitrarily determined according to the situation). Also good.
[0046]
[Equation 3]

[0047]
[Expression 4]

[0048]
By performing processing based on these equations 3 or 4, the influence of electrical noise and the like can be reduced, and more accurate measurement of the liquid level H can be realized. However, also in the processing based on Equation 3 and Equation 4, from the viewpoint of the processing speed (measurement speed of the liquid level H) and the like, the processing target period (value of the number of taps M) in Expression 2 is similar to the processing target period (value of the tap number M). That is, the value of the retroactive period p) is set relatively small. These mathematical expressions are merely examples, and the degree of change in the output signal Vk of the ultrasonic transceiver 2 may be derived based on mathematical expressions other than these.
[0049]
The above description is a case where the pipe 1 is not full. If the pipe 8 is full of water, no reflection on the liquid level occurs and reflection occurs on the upper inner surface of the pipe 1. As a result, as shown in FIG. 4, at the time t when the reflected image 41 of the ultrasonic pulse 4 by the bottom inner side surface 12 of the pipe 1 appears in the output signal of the ultrasonic receiver 2. ₁ When the time required for the ultrasonic pulse to reach the upper inner surface of the pipe 1 from t ₃ Thus, a reflection image 43 of the upper inner surface of the pipe 1 is generated.
[0050]
As is clear from FIG. 4, the amplitude of the reflected image 43 is the output signal of the ultrasonic wave reception signal before this reflected image 43 is generated (this is mainly noise and is actually shorter than shown in FIG. It is larger than the amplitude of. Therefore, as described above, when the liquid level 61 cannot be measured, when a certain ultrasonic pulse is transmitted and the reflected wave is received, the time corresponding to the upper inner surface of the pipe 1 (this The time can be determined from the inner diameter and outer diameter of the pipe 1 and the velocity of the ultrasonic pulse) before and after the period Tcb and Tca having the same predetermined time are determined, and the ultrasonic receiving unit 2 in the period Tcb is determined. A total value TVcb of absolute values of the respective output signals Vk and a total value TVca of absolute values of the respective output signals Vk of the ultrasonic wave receiving unit 2 in the period Tca are obtained. Then, it is determined which of TVcb and TVca is larger, and when TVcb is larger than TVca, it is determined that the water is full. In this description, the description is based on one cycle of the ultrasonic pulse, but TVcb and TVcb may be obtained in a plurality of successive cycles, the respective average values thereof may be obtained, and the average values may be compared with each other.
[0051]
In calculating TVcb and TVca, the total value of the absolute values of the output signal Vk is used. For example, the total value of one of the polarities of the output signal Vk can also be used. However, the accuracy of TVcb and TVca is higher when the sum of absolute values is used.
[0052]
When pipe 1 is at water level 0, time t ₃ It is also found that the water level is 0 because there is no great difference in the amplitude of Vk before and after, and TVcb and TVca are almost equal.
[0053]
In the present embodiment, the case where the present invention is applied to measure the liquid level of the drain 6 in the steam pipe 1 has been described. However, the present invention is not limited to this, and the liquid level of the drain in other pipes such as a gas pipe is used. The present invention can also be applied to the measurement. In addition to drains, the present invention can also be applied to, for example, measuring the liquid level of a liquid itself that is a distribution target in a pipe for which various liquids such as water and oil are distribution targets.
[0054]
The ultrasonic transmitter / receiver 2 in the present embodiment corresponds to the ultrasonic transmitter and the ultrasonic receiver described in the claims, and the ultrasonic transmitter / receiver 2 can transmit / receive the ultrasonic pulse 4. This corresponds to the ultrasonic transmission process and the ultrasonic reception process described in the claims. Further, instead of the ultrasonic transmitter / receiver 2 also used for ultrasonic transmission / reception, a so-called ultrasonic transmitter dedicated to ultrasonic transmission and a so-called ultrasonic receiver dedicated to ultrasonic reception may be used. In this case, the ultrasonic transmitter and the ultrasonic receiver are provided close to each other on the outer surface of the bottom of the pipe 1.
[0055]
Further, in the present embodiment, the process of monitoring the signal level of the output signal V (t) of the ultrasonic transmitter / receiver 2 by the drive control unit 3 corresponds to the reception level monitoring process described in the claims. The control unit 3 corresponds to reception level monitoring means described in the claims. The part which consists of these ultrasonic transmitter-receivers 2 and the drive control part 3 can be comprised by the generally known ultrasonic flaw detector, for example.
[0056]
Then, the data Vk obtained by monitoring the signal level of the output signal V (t) of the ultrasonic transmitter / receiver 2 by the drive control unit 3 is processed by the CPU 5 on the basis of the mathematical expression such as the above formula 1, so that the data The process of deriving the amount of change of Vk, specifying the drain liquid level 61 from the amount of change obtained and deriving the liquid level H of the drain 6 is the level change detection described in the claims. It corresponds to the process, boundary detection process and liquid level derivation process. The CPU 5 that executes each of these processes corresponds to the level change detecting means, the boundary detecting means, and the liquid level deriving means described in the claims. In addition, the part which consists of this CPU5, the memory | storage part 7, the operation part 9, and the display part 10 can be comprised by the personal computer generally known, for example.
[0057]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, even when the liquid level of the liquid in the horizontally installed pipe is in a dynamic state such as shaking or undulating, the liquid level position of the liquid is accurately determined. Thus, the liquid level of the liquid can be accurately measured. Therefore, true liquid level measurement can be realized in an actual pipe where the liquid level of the drain or the like to be measured is always in a dynamic state, such as the steam pipe described above. . Moreover, when the inside of the pipe is full, it can be detected that the pipe is full.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
2A and 2B are diagrams showing signals related to the ultrasonic transceiver according to the embodiment, wherein FIG. 2A shows an ultrasonic pulse emitted from the ultrasonic transmitter / receiver, and FIG. 2B shows the ultrasonic pulse; It is a figure which shows the output electric signal of the ultrasonic transmitter / receiver obtained by receiving this reflected wave.
FIG. 3 is a diagram for explaining the principle of the embodiment, and is a diagram illustrating an electrical signal output from the ultrasonic transceiver for each emission period of ultrasonic pulses by the ultrasonic transceiver;
FIG. 4 is a diagram showing an output electric signal of the ultrasonic transmitter / receiver when the water is full in the embodiment.
[Explanation of symbols]
1 Piping
2 Ultrasonic transceiver
3 Drive controller
5 CPU
6 Drain
7 Memory part

Claims

An ultrasonic transmitter that is mounted on the outer surface of the bottom portion of the pipe, in which the liquid in which the liquid level is in a dynamic state exists, and which emits a substantially uniform ultrasonic wave upwardly;
An ultrasonic receiving unit that is provided in the vicinity of the ultrasonic transmitting unit or integrally with the ultrasonic transmitting unit, and that sequentially receives each reflected wave of each ultrasonic wave emitted from the ultrasonic transmitting unit approximately periodically;
For each period in which the ultrasonic wave receiving unit receives the reflected waves, the ultrasonic wave receiving unit performs the predetermined time point as a reference time point and the ultrasonic wave receiving unit at each time point when a predetermined time interval elapses from the reference time point. A reception level monitoring means for monitoring the reception level of the reflected wave;
The reception levels at the respective elapsed times corresponding to each other in the two adjacent periods obtained by monitoring by the reception level monitoring means are compared, and the respective levels at the respective elapsed times between the two adjacent periods are compared. Level change detection means for detecting the degree of change in the reception level;
Means for determining whether or not there is a first time region in which a time point at which the degree of change in the reception level obtained by the level change detection means out of each elapsed time exceeds a predetermined value exists; , when the first time domain is present, a first time domain, a boundary detection time when the degree of change in the reception level does not exceed the predetermined value for detecting a boundary between the second time domain continuous Means,
A liquid level deriving unit for deriving a liquid level of the liquid existing in the pipe based on a time difference between the time point of the boundary obtained by detection by the boundary detecting unit and the reference time point;
When it is determined by the determining means that the first time region is absent, a third of a predetermined length generated after the reception level of the time corresponding to the upper inner surface of the pipe among the reception levels. The magnitude of the reception level in the time domain is greater than the magnitude of the reception level in the fourth time domain having the same length as the predetermined length generated before the reception level of the time corresponding to the upper inner surface of the pipe. When it is too large, a full water detection means for generating a full water signal,
A device for measuring the liquid level in a pipe.

2. The liquid level measuring device in a pipe according to claim 1, wherein the full water detection means includes a total value of absolute values of reception levels in the third time domain and a total value of absolute values of reception levels in the fourth time domain. A device for measuring the liquid level in pipes for comparing the size of the pipe.

An ultrasonic transmission that emits a substantially uniform ultrasonic wave upwardly by attaching an ultrasonic transmission unit to the outer surface of the bottom of a pipe that has a liquid surface in which the liquid surface is in a dynamic state. Process,
Each reflected wave of each ultrasonic wave emitted approximately periodically from the ultrasonic transmission unit is sequentially received by an ultrasonic reception unit provided in the vicinity of the ultrasonic transmission unit or integrally with the ultrasonic transmission unit. Ultrasonic reception process,
For each period in which each of the reflected waves is received in the ultrasonic reception process, the predetermined time is set as a reference time , and the ultrasonic reception unit at each time when a predetermined time interval elapses from the reference time. A reception level monitoring process for monitoring the reception level of the reflected wave;
The reception levels at the respective elapsed times corresponding to each other in the two adjacent periods obtained by monitoring in the reception level monitoring process are compared, and the respective levels at the respective elapsed times between the two adjacent periods are compared. A level change detection process for detecting the degree of change in reception level;
A first determination is made as to whether or not there is a first time region in which a time point at which the degree of change in the reception level obtained by detecting in the level change detection process exceeds a predetermined value among the elapsed time points is present. Judgment process of
A boundary detection process for detecting a boundary between the first time domain and a second time domain in which time points other than the first time domain continue when it is determined that the first time domain exists;
A liquid level derivation process for deriving the liquid level of the liquid existing in the pipe based on the time difference between the time point of the boundary obtained by detection in the boundary detection process and the reference time point;
When it is determined that the first time region is absent, the third time region having a predetermined length generated after the reception level corresponding to the upper inner surface of the pipe among the reception levels. A second comparison is made between the magnitude of the reception level and the magnitude of the reception level in the fourth time region having the same length as the predetermined length generated before the reception level corresponding to the upper inner surface of the pipe. The determination process of
A method for measuring a liquid level in a pipe provided.

4. The method for measuring a liquid level in a pipe according to claim 3, wherein the second determination step includes a sum of absolute values of reception levels in the third time domain and an absolute value of reception levels in the fourth time domain. A method for measuring the liquid level in piping that compares the value with the total value.

3. The liquid level measuring device in a pipe according to claim 1, wherein the pipe is intended to flow a gas, and the liquid present in the pipe is a condensed liquid of the gas, or The method for measuring a liquid level in a pipe according to claim 3 or 4.