JP4704536B2 - 配管内の液位測定装置及び液位測定方法 - Google Patents
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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において滞留すると好ましくないとされるドレン（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】
上記のように、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（所謂ストール）したりする恐れがある。従って、蒸気配管内にドレンが発生し滞留したとき、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、上記のように横設された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、横設された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上方（即ち配管の内部）に向けて超音波を発射し、この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、上記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、上記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所謂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立っているような所謂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、上記揺れている等の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。これにより、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】
ところで、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、常に揺れていたり或いは波立っていたりする等、上記動的状態にある。このような蒸気プラントの実状を鑑みると、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】
そこで、本発明は、上記のように横設された配管内に存在するドレン等の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、本発明は、概略横設された配管の底部外側面に取り付けられ、上方に向けて略周期的に、一様な超音波を発射する超音波送信部と、
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設けられ、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超音波受信部と、
この超音波受信部が上記各反射波をそれぞれ受信する各周期毎に、それぞれ、所定の時点を基準として、この基準時点からの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監視する受信レベル監視手段と、
この受信レベル監視手段によって監視して得た上記各経過時点における各受信レベルを、それぞれ、上記各周期間で比較して、これら各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検出するレベル変化検出手段と、
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時間領域と、それ以外の時点、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、が連続する時間領域と、の境界を検出する境界検出手段と、
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導出する液位導出手段と、
を具備するものである。
【０００８】
なお、ここで言う上記超音波とは、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。この配管と液体との境界である底部内側面においては、これら配管（材料）と液体との各物理的性質の違いにより、上記超音波パルス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、最終的に超音波受信部により受信される。なお、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】
上記液体内を伝播する超音波パルスは、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。この液面においても、液体と上記気体との各物理的性質の違いにより、超音波パルス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、最終的に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それぞれ反射して、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、上記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、所謂完全な静的状態にあるからである。
【００１４】
これに対して、上記液面による反射像は、その形態（振幅や位相、形状等）が上記各周期によってそれぞれ異なり、各周期毎に大きく乱れる。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、上記各反射像を含む超音波受信部の出力信号（波形）を上記各周期毎に見ると、少なくとも上記配管の底部内側面による反射像が現れる時点から上記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は、超音波受信部の出力信号は、上記配管の底部内側面による反射像を含み、基本的に（例えば電気的雑音等の影響はあるものの）、上記各周期間で略一定（不変）である。一方、上記液面による反射像を含む当該反射像が現れる時点以降の時間領域においては、超音波受信部の出力信号は、上記液面での乱反射の影響により、上記各周期間で変化する。このことから、超音波受信部の出力信号が上記各周期間で一定ある時間領域とそうでない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、上記液面位置を特定する。
【００１６】
即ち、受信レベル監視手段により、超音波受信部の出力信号のレベル、所謂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上記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（時刻）のことを言う。）における各受信レベルを、上記各周期間、例えば隣接する周期間で比較して、これら各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、上記各経過時点毎に検出する。そして、この検出して得た各経過時点毎の受信レベルの変化量と、所定の値とを、境界検出手段により比較する。ここで言う所定の値とは、上記各経過時点毎の各受信レベルが上記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（所謂しきい値）である。即ち、境界検出手段は、上記受信レベルの変化量が上記所定の値を超える時点については、当該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上記所定の値以下である時点については、当該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、上記受信レベルが上記各周期間で一定であると判断した時点が連続する時間領域と、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、上記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、これに対応する上記境界の時点と、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上記基準時点と、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、上記基準時点としたが、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】
また、本発明では、上記受信レベル監視手段により監視して得た上記各経過時点における各受信レベルを平滑化する平滑化手段を設けてもよい。この場合、レベル変化検出手段は、上記平滑化手段によって平滑化した後の各受信レベルを比較することにより、上記受信レベルの変化の度合いを検出するよう構成する。このようにすれば、上述した電気的雑音等の影響を軽減でき、より正確な液面位置の特定を実現し、ひいてはより正確な液位測定を実現できる。
【００１９】
なお、ここで言う上記平滑化手段は、例えば、一般に知られている移動平均処理等のように、上記各受信レベルを或る時間領域（経過時点）にわたって平均化する等、上記各受信レベルを時間の経過に沿って平滑化する手段により構成できる。また、上記各経過時点毎の各受信レベルを、それぞれ上記各周期間で平滑化する手段により、上記平滑化手段を構成してもよい。
【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、例えば上述した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３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。同図に示すように、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る超音波送受信器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）変換素子構成のもので、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。なお、この超音波送受信器２の上記超音波送受信面側の周囲には、図示しない磁石が内蔵されており、配管１が金属製（厳密には強磁性体材料製）の場合には、この磁石の磁力により、当該超音波送受信器２を配管１に接着できるよう構成されている。
【００２４】
そして、上記超音波送受信器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、・・・の繰り返し発射周期Ｔは、主に配管１の径寸法により決定されるが、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、上記各超音波パルス４、４、・・・をそれぞれ発射したあと、次の超音波パルス４、４、・・・を発射するまでの間、超音波受信器として機能する。即ち、超音波送受信器２は、上記各超音波パルス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、上記駆動制御部３に入力される。
【００２６】
駆動制御部３は、上記超音波送受信器の出力信号Ｖ(t)の信号レベル、換言すれば超音波送受信器２による上記各反射波の受信レベルを、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の有無及びその液面６１の位置を検出し、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、例えば半導体メモリ構成の記憶部７に記憶されている制御プログラムに従って、次のように制御される。
【００２７】
即ち、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においては、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、上記超音波パルス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は、その大部分が、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、超音波送受信部２が超音波パルス４を発射した時点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で、上記配管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、上記配管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】
上記ドレン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においても、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、最終的に超音波送受信器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、上記配管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で、上記ドレン液面６１による超音波パルス４の反射像４２が現れる。
【００２９】
ところで、上記各反射像４１、４２は、それぞれ超音波送受信器２から各超音波パルス４、４、・・・が発射される度に繰り返し現れるが、このうち、配管１の底部内側面１２による反射像４１については、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、物理的に不動であり、即ち完全な静的状態にあるからである。
【００３０】
これに対して、上記ドレン液面６１による反射像４２については、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、上記各周期Ｔによってそれぞれ異なる。これは、ドレン液面６１が上記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を上記各周期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、上記配管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、上記ドレン液面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においては、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、上記ドレン液面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、上記各周期Ｔ間で一定ある時間領域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（厳密には、この出力信号のレベルを駆動制御部３により監視して得たデータ）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、上記各周期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】
この数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（時刻）ｋ毎に導出する。そして、この導出して得た変化量（厳密にはその絶対値）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】
ここで言う上記所定の基準値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、所謂しきい値、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（数１を満足する時点）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（数１を満足しない時点）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、上記数１を満足する時点ｋが連続する時間領域Ｔb'と、上記数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。そして、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】
なお、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。そして、ＣＰＵ５は、上記操作部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、その導出結果を上記表示部１０に表示するようにも、構成されている（厳密には、このドレン６の容積の導出及び表示を実現するためのプログラムが記憶部７内に記憶されており、ＣＰＵ５は、このプログラムに従って上記ドレン６の容積を導出し表示する）。
【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。そして、ＣＰＵ５は、上記操作部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上記出力信号Ｖkを平均化処理すると、上記液面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、ひいてはドレン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により上記数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、上記数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、ひいてはより正確な液位Ｈの測定を実現できる。なお、この数２に基づく移動平均処理は、飽くまで上記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、上記のようなドレン液面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、上記数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、上記数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、上記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、これら数３及び数４に基づく処理おいても、処理速度（液位Ｈの測定速度）等の観点から、上記数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。なお、これらの数式は、飽くまで一例であって、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】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
また、本実施の形態において、駆動制御部３により上記超音波送受信器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、上記駆動制御部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。
【００５２】
そして、上記駆動制御部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上記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。
【００５３】
【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。
【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。
【符号の説明】
１ 配管
２ 超音波送受信器
３ 駆動制御部
５ ＣＰＵ
６ ドレン
７ 記憶部
【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において滞留すると好ましくないとされるドレン（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】
上記のように、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（所謂ストール）したりする恐れがある。従って、蒸気配管内にドレンが発生し滞留したとき、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、上記のように横設された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、横設された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上方（即ち配管の内部）に向けて超音波を発射し、この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、上記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、上記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所謂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立っているような所謂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、上記揺れている等の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。これにより、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】
ところで、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、常に揺れていたり或いは波立っていたりする等、上記動的状態にある。このような蒸気プラントの実状を鑑みると、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】
そこで、本発明は、上記のように横設された配管内に存在するドレン等の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、本発明は、概略横設された配管の底部外側面に取り付けられ、上方に向けて略周期的に、一様な超音波を発射する超音波送信部と、
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設けられ、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超音波受信部と、
この超音波受信部が上記各反射波をそれぞれ受信する各周期毎に、それぞれ、所定の時点を基準として、この基準時点からの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監視する受信レベル監視手段と、
この受信レベル監視手段によって監視して得た上記各経過時点における各受信レベルを、それぞれ、上記各周期間で比較して、これら各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検出するレベル変化検出手段と、
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時間領域と、それ以外の時点、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、が連続する時間領域と、の境界を検出する境界検出手段と、
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導出する液位導出手段と、
を具備するものである。
【０００８】
なお、ここで言う上記超音波とは、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。この配管と液体との境界である底部内側面においては、これら配管（材料）と液体との各物理的性質の違いにより、上記超音波パルス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、最終的に超音波受信部により受信される。なお、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】
上記液体内を伝播する超音波パルスは、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。この液面においても、液体と上記気体との各物理的性質の違いにより、超音波パルス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、最終的に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それぞれ反射して、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、上記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、所謂完全な静的状態にあるからである。
【００１４】
これに対して、上記液面による反射像は、その形態（振幅や位相、形状等）が上記各周期によってそれぞれ異なり、各周期毎に大きく乱れる。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、上記各反射像を含む超音波受信部の出力信号（波形）を上記各周期毎に見ると、少なくとも上記配管の底部内側面による反射像が現れる時点から上記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は、超音波受信部の出力信号は、上記配管の底部内側面による反射像を含み、基本的に（例えば電気的雑音等の影響はあるものの）、上記各周期間で略一定（不変）である。一方、上記液面による反射像を含む当該反射像が現れる時点以降の時間領域においては、超音波受信部の出力信号は、上記液面での乱反射の影響により、上記各周期間で変化する。このことから、超音波受信部の出力信号が上記各周期間で一定ある時間領域とそうでない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、上記液面位置を特定する。
【００１６】
即ち、受信レベル監視手段により、超音波受信部の出力信号のレベル、所謂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上記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（時刻）のことを言う。）における各受信レベルを、上記各周期間、例えば隣接する周期間で比較して、これら各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、上記各経過時点毎に検出する。そして、この検出して得た各経過時点毎の受信レベルの変化量と、所定の値とを、境界検出手段により比較する。ここで言う所定の値とは、上記各経過時点毎の各受信レベルが上記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（所謂しきい値）である。即ち、境界検出手段は、上記受信レベルの変化量が上記所定の値を超える時点については、当該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上記所定の値以下である時点については、当該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、上記受信レベルが上記各周期間で一定であると判断した時点が連続する時間領域と、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、上記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、これに対応する上記境界の時点と、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上記基準時点と、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、上記基準時点としたが、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】
また、本発明では、上記受信レベル監視手段により監視して得た上記各経過時点における各受信レベルを平滑化する平滑化手段を設けてもよい。この場合、レベル変化検出手段は、上記平滑化手段によって平滑化した後の各受信レベルを比較することにより、上記受信レベルの変化の度合いを検出するよう構成する。このようにすれば、上述した電気的雑音等の影響を軽減でき、より正確な液面位置の特定を実現し、ひいてはより正確な液位測定を実現できる。
【００１９】
なお、ここで言う上記平滑化手段は、例えば、一般に知られている移動平均処理等のように、上記各受信レベルを或る時間領域（経過時点）にわたって平均化する等、上記各受信レベルを時間の経過に沿って平滑化する手段により構成できる。また、上記各経過時点毎の各受信レベルを、それぞれ上記各周期間で平滑化する手段により、上記平滑化手段を構成してもよい。
【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、例えば上述した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３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。同図に示すように、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る超音波送受信器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）変換素子構成のもので、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。なお、この超音波送受信器２の上記超音波送受信面側の周囲には、図示しない磁石が内蔵されており、配管１が金属製（厳密には強磁性体材料製）の場合には、この磁石の磁力により、当該超音波送受信器２を配管１に接着できるよう構成されている。
【００２４】
そして、上記超音波送受信器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、・・・の繰り返し発射周期Ｔは、主に配管１の径寸法により決定されるが、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、上記各超音波パルス４、４、・・・をそれぞれ発射したあと、次の超音波パルス４、４、・・・を発射するまでの間、超音波受信器として機能する。即ち、超音波送受信器２は、上記各超音波パルス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、上記駆動制御部３に入力される。
【００２６】
駆動制御部３は、上記超音波送受信器の出力信号Ｖ(t)の信号レベル、換言すれば超音波送受信器２による上記各反射波の受信レベルを、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の有無及びその液面６１の位置を検出し、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、例えば半導体メモリ構成の記憶部７に記憶されている制御プログラムに従って、次のように制御される。
【００２７】
即ち、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においては、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、上記超音波パルス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は、その大部分が、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、超音波送受信部２が超音波パルス４を発射した時点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で、上記配管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、上記配管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】
上記ドレン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においても、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、最終的に超音波送受信器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、上記配管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で、上記ドレン液面６１による超音波パルス４の反射像４２が現れる。
【００２９】
ところで、上記各反射像４１、４２は、それぞれ超音波送受信器２から各超音波パルス４、４、・・・が発射される度に繰り返し現れるが、このうち、配管１の底部内側面１２による反射像４１については、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、物理的に不動であり、即ち完全な静的状態にあるからである。
【００３０】
これに対して、上記ドレン液面６１による反射像４２については、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、上記各周期Ｔによってそれぞれ異なる。これは、ドレン液面６１が上記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を上記各周期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、上記配管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、上記ドレン液面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においては、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、上記ドレン液面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、上記各周期Ｔ間で一定ある時間領域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（厳密には、この出力信号のレベルを駆動制御部３により監視して得たデータ）Ｖkについて、次の数１で表わされる演算を施す。
【００３３】
【数１】
この数１において、ｎは、上記各周期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】
この数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（時刻）ｋ毎に導出する。そして、この導出して得た変化量（厳密にはその絶対値）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】
ここで言う上記所定の基準値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、所謂しきい値、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（数１を満足する時点）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（数１を満足しない時点）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、上記数１を満足する時点ｋが連続する時間領域Ｔb'と、上記数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。そして、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】
なお、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。そして、ＣＰＵ５は、上記操作部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、その導出結果を上記表示部１０に表示するようにも、構成されている（厳密には、このドレン６の容積の導出及び表示を実現するためのプログラムが記憶部７内に記憶されており、ＣＰＵ５は、このプログラムに従って上記ドレン６の容積を導出し表示する）。
【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。そして、ＣＰＵ５は、上記操作部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上記出力信号Ｖkを平均化処理すると、上記液面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、ひいてはドレン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により上記数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、上記数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】
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、ひいてはより正確な液位Ｈの測定を実現できる。なお、この数２に基づく移動平均処理は、飽くまで上記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、上記のようなドレン液面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、上記数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、上記数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】
【数４】
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、上記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、これら数３及び数４に基づく処理おいても、処理速度（液位Ｈの測定速度）等の観点から、上記数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。なお、これらの数式は、飽くまで一例であって、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】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
また、本実施の形態において、駆動制御部３により上記超音波送受信器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、上記駆動制御部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。
【００５２】
そして、上記駆動制御部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上記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。
【００５３】
【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。
【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。
【符号の説明】
１ 配管
２ 超音波送受信器
３ 駆動制御部
５ ＣＰＵ
６ ドレン
７ 記憶部
Claims (5)
- 概略横設された配管の底部外側面に取り付けられ、上方に向けて略周期的に一様な超音波を発射する超音波送信部と、
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設けられ、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超音波受信部と、
この超音波受信部が上記各反射波をそれぞれ受信する各周期毎に、それぞれ、所定の時点を基準として、この基準時点からの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監視する受信レベル監視手段と、
この受信レベル監視手段によって監視して得た上記各経過時点における各受信レベルを、それぞれ、上記各周期間で比較して、これら各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検出するレベル変化検出手段と、
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連続する時間領域と、それ以外の時点が連続する時間領域と、の境界を検出する境界検出手段と、
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導出する液位導出手段と、
を具備する配管内の液位測定装置。 - 上記受信レベル監視手段により監視して得た上記各経過時点における各受信レベルを平滑化する平滑化手段を設け、
上記レベル変化検出手段が、上記平滑化手段によって平滑化した後の各受信レベルを比較して、上記受信レベルの変化の度合いを検出する状態に構成された、請求項１に記載の配管内の液位測定装置。 - 概略横設された配管の底部外側面に超音波送信部を取り付けて、上方に向けて略周期的に一様な超音波を発射する超音波送信過程と、
上記超音波送信部の近傍またはこの超音波送信部と一体に設けられた超音波受信部によって、上記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超音波受信過程と、
この超音波受信過程で上記各反射波をそれぞれ受信する各周期毎に、それぞれ、所定の時点を基準として、この基準時点からの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監視する受信レベル監視過程と、
この受信レベル監視過程において監視して得た上記各経過時点における各受信レベルを、それぞれ、上記各周期間で比較して、これら各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検出するレベル変化検出過程と、
上記各経過時点のうち上記レベル変化検出過程で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連続する時間領域と、それ以外の時点が連続する時間領域と、の境界を検出する境界検出過程と、
この境界検出過程におい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導出する液位導出過程と、
を具備する配管内の液位測定方法。 - 上記受信レベル監視過程において監視して得た上記各経過時点における各受信レベルを平滑化する平滑化過程を設け、
上記レベル変化検出過程において、上記平滑化過程で平滑化した後の各受信レベルを比較して、上記受信レベルの変化の度合いを検出するようにした、
請求項３に記載の配管内の液位測定方法。 - 上記配管が、気体を流通対象とするものであって、この配管内に存在する上記液体が、上記気体の凝縮液である、請求項１または２に記載の配管内の液位測定装置、または、請求項３または４に記載の配管内の液位測定方法。
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