JPH02134517A - 二相流超音波式流量測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、例えば蒸気のような気相と、ドレンのような
液相とが、層をなして流れている管体において、上記気
相及び液相の二相それぞれの流量を測定する装置に関す
る。

〈従来技術〉 一般に、蒸気とドレンとは同じ管体を流れるが、これら
蒸気の流量及びドレンの流量をそれぞれ測定する必要に
迫られることかある。このような場合、従来では、第４
図に示すように、蒸気とドレンとが流れる配管１の中途
に蒸気専用の配管２と、トレン専用の配管３とを設け、
蒸気は配管２に、トレンは配管３にそれぞれ流れるよう
にし、すなわち、蒸気とドレンとをそれぞれ単相流とし
、配管２に蒸気用の流量検出センサ４を設け、配管３に
ドレン用の流量検出用センサ５を設け、蒸気とトレンと
の流量を個別に測定していた。

〈発明か解決しようとする課題〉 しかし、このような技術では、蒸気とドレンとに専用の
配管２．３が必要であり、第４図に示していないが、蒸
気とドレンとを分離するためのセパレータ等の装置が必
要で、装置全体が大型になるという問題点があった。

蒸気のような気相とトレンのような液相とを分離するこ
となくそれぞれの流量を測定する装置として、本願出願
人は先に超音波を使用した測定方法および測定装置を提
案し、昭和６３年１０月１４日付けで「二相流超音波式
流量測定方法及び測定装置」という名称で出願した。こ
の出願に係る発明は、一方の超音波送受信部から送信さ
れ、管体内を層をなして流れる気相と液相との境界面で
反射または屈折して進む超音波を他方の超音波送受信部
て受信し、その受信された超音波信号に基づいて各相の
流速を検出し、この流速と各相の流路の断面積とからそ
れぞれの相の流量を測定するものである。この測定方法
あるいは測定装置は一応満足できる結果が得られるが、
装置の使用状況、液相の性質によっては液面が波立ち、
超音波の反射あるいは屈折がうまく行かず、各相の流量
を正確に測定することが出来ない場合がある。

本発明は、蒸気のような気相とドレンのような液相とを
分離することなくそれぞれの流量を測定することが出来
ると共に、液相の波立ちによる影響を受けることなく上
記各層の流量を正確に測定することの出来る超音波式の
流量測定装置を提供することを目的とする。

〈課題を解決するための手段〉 上記の目的を達成するため、本発明の装置では、気相と
液相とか層をなして流れる配管、すなわち管体内に、対
をなすアームにより水平状態を維持し＼上下し得るよう
に支持された超音波反射板か設けられている。この反射
板は常に上記液相の面つまり液面に浮べられており、該
液面レベルの上昇、降下に伴って上下する。また、上記
管体にはその気相側に該気相の流れの方向に沿って所定
の間隔を隔て＼上流側の第１の超音波送受信部と下流側
の第２の超音波送受信部とが設けられている。第１の超
音波送受信部から送信された超音波は上記液面に浮べら
れた反射板の上面で反射されて第２の超音波送受信部で
受信される。逆に第２の超音波送受信部から送信された
超音波は同様に上記反射面の上面で反射されて第１の超
音波送受信部で受信される。

上記管体の液相側にも同様に第３の超音波送受信部と第
４の超音波送受信部とが所定の間隔を隔て＼設けられて
おり、第３の超音波送受信部から送信された超音波は上
記反射面の下面で反射されて第４の超音波送受信部で受
信され、第４の超音波送受信部から送信された超音波は
同様に上記反射面の下面で反射されて第３の超音波送受
信部で受信される。

第１の超音波送受信部から送信され、第２の超音波送受
信部で受信された超音波信号と、第２の超音波送受信部
から送信され、第１の超音波送受信部で受信された超音
波信号とに基づいて気相の流速が検出される。同様に第
３及び第４の超音波送受信部で送受信された超音波信号
に基づいて液の超音波の送受の角度から液面の高さを検
出し、上記の各流速と液面のレベルとから気相、液相の
各流量が演算される。

く作用〉 第１の超音波送受信部は気相の上流側に設けられている
のて、第１の超音波送受信部から送信され、第２の超音
波送受信部で受信された超音波信号は、第２の超音波送
受信部に向う間に気相の速度の影響を受けて加速されて
いる。逆に、第２の超音波送受信部は気相の下流側に設
けられているので、第２の超音波送受信部から送信され
、第１の超音波送受信部で受信された超音波信号は、第
１の超音波送受信部に向う間に気相の速度の影響を受け
て減速されている。これら加速の程度と減速の程度とは
同じである。よって、これら第１及び第２の超音波送受
信部で受信された超音波信号を演算することによって、
気相の流速を演算することかできる。同様に第３及び第
４の超音波送受信部で受信された各超音波信号を演算す
ることにより液相の流速を演算することができる。

このようにして求められた気相の流速、液相の流速と、
前述の液面のレベルから求めた気相の断面積、液相の断
面積とを用いて、気相及び液相の流量が演算される。

〈実施例〉 第１図および第２図において、１０は配管、すなわち管
体で、その内部の上方には蒸気のような気相１２が速度
■、で同図の左側から右側に向けて流れている。管体ｌ
Ｏの下方にはドレンのような液相１４が速度■２で左側
から右側に向けて流れている。管体１０の気相１２側に
は第１の超音波送受信部１６が設けられ、これよりも下
流側に所定の距離したけ隔てて第２の超音波送受信部１
８か設けられている。第１及び第２の超音波送受信部１
６．１８は超音波の送信方向あるいは受信方向が水平面
となす角度θ□を任意に調整し得るようにステップモー
タその他の角度調整手段１９に結合されている。同様に
管体１０の液相１４側には第３の超音波送受信部２０と
第４の超音波送受信部２２とか距離したけ隔てて設けら
れている。これら第３及び第４の超音波送受信部２０．
２２もその超音波の送受信角度θ２を調整し得るように
角度調整手段２３に結合されている。

２４は超音波反射板で、該超音波反射板２４はフロート
２６．２６の作用により液面に浮べられており、さらに
対をなすアーム２８．３０に枢支されている。

アーム２８．３０の１端は管体１０内の上方部に液面と
平行に設けられた軸３２．３４にそれぞれ枢支されてい
る。従って、液面か上下すると、反射板２４は液−ム２
８か水平面となす角度θ３が変化する。アーΔ ム２８の傾きは、例えば軸３２に設けられた磁石３５の
ような結合手段を介して回転角度検出器３６に伝達され
て、その傾き角θ３か検出される。

気相１２側に設けられた第１の超音波送受信部１６から
送信された超音波が反射板２４の上面のＡ点で反射され
て第２の超音波送受信部１８で受信されるように、また
第２の超音波送受信部１８から送信された超音波か同し
く反射板２４のＡ点で反射されて第１の超音波送受信部
１６で受信されるように、各超音波送受信部の水平線に
対する送受信角度θ。

か設定される。この角度θ１は液面の高さＨ２、すなわ
ち反射板２４の高さによって決定されるから、反射板２
４の高さＨ２によって決まるアーム２８の角度θ、が判
れば、これによって設定することができる。従って、ア
ーム２８の回転角度検出器３６の出力信号を用いて上記
角度θ１を自動設定することができる。あるいは後述す
る方法によって０１を手動で設定してもよい。

液相１４偏に設けられた超音波送受信部についても、そ
の第３の超音波送受信部２０から送信された超音波が反
射板２４の下面のＡ点で反射されて第４の超音波送受信
部２２で受信されるように、また第４の超音波送受信部
２２から送信された超音波が同じく反射板２４の下面の
Ａ点で反射されて第３の超音波送受信部２０で受信され
るように、各超音波送受信部の水平線に対する送受信角
度θ２か設定される。この角度θ２はθ１の設定と同様
に回転角度検出奏３６の出力信号を用いて自動的に設定
してもよいし、手動で設定してもよい。なお、第１乃至
第４の超音波送受信部１６．１８．２０．２２としては
超音波振動子を用い、１台で送信部及び受信部として動
作することができるものが使用される。

こ１で、第１及び第２の超音波送受信部１６．１８と反
射板２４の上面のＡ点までの距離を交、とじ、気相１２
の静止状態における音速をＣＩ、気相１２の流速をｖｌ
とすると、第１の超音波送受信部１６から送信され、反
射板２４のＡ点で反射されて第２の超音波送受信部１８
で受信された超音波の周波数ｆ１２は、気相１２の速度
ｖ１の影響を受けて、となる。ｆｌｌｌとｆ２１との差
のビート周波数Δｆ。

を取ると、 となる。ここで、文、は、 である。従って、Δｆ、は ■Ｉ　ＣＯ５ｏ　１ となる。逆に、第２の超音波送受信部１８から送信され
、反射板２４のＡ点で反射され、第１の超音波送受信部
１５で受信された超音波信号の周波数ｆ２□は、気相１
２の速度Ｖ０の影響を受けて、となり、ｖ＋は、 となる。

一方、第３及び第４の超音波送受信部２０．２２と反射
板２４の下面のＡ点までの距離な文２とし、液相１４の
静止状態における音速を０２、液相１４の流速を■２と
すると、上記と全く同じ計算により、第３の超音波送受
信部２０から送信され１反射板２４のＡ点で反射されて
第４の超音波送受信部２２で受信された超音波の周波数
ｆ３４は、液相１４の速度ｖ２の影響を受けて、 となる。ここで、文２は、 である、従って、Δｆ２は ｖ２ｃｏｓ　　θ２ となる。逆に、第４の超音波送受信部２２から送信され
、反射板２４のＡ点で反射されて第３の超音波送受信部
２０て受信された超音波信号の周波数ｆ４３は、液相１
４の速度■２の影響を受けて、となる。ｆ３４とｆ４：
ｌとの差のビート周波数Δｆ２を取ると、 となり、ｖ２は、 となる。

ここで、管体ｌＯの全体の高さをＨ１管体１０の頂部か
ら液面までの距離なＨｌ、液面から管体１ｏの底までの
距離なＨ２、管体１０の頂部からアーム２８の上端の回
転軸３２までの距離なＨ３、アーム２８の長さを見３、
アーム２８の水平線に対する傾斜角を０３とすると、 Ｈ１＝８３　＋１３Ｓｉｎθ３・・・・・・・・・・・
・・・（１３）Δｆ２　拳　Ｌ より ・・・・・・・・（１５） が得られる。

また、 Ｈ，＝Ｈ−Ｈ，＝Ｈ−Ｈ３−１３ｓｔｎ　　θ３・・・
・・・・・（１６） より、 ・・・・・・・・（１８） が得られる。

上記の式（１５）式を（６）式に代入し、（１８）式を
（１２）式に代入することにより。

Δｆ１　・Ｌ ・・・・・・・・（１９） ・・・・・・・・（２０） となり、気相の流速Ｖ１．液相の流速ｖ２が得られる。

これら気相の流速ｖｌ、液相の流速Ｖ２と、（１３）式
で得られた気相が流れている部分の高さＨ，、（１６）
式で得られた液相が流れている部分の高さＨ２とを用い
て、気相１２の流量、液相１４の流量をそれぞれ求める
ことができる。

上記のようにして気相１２及び液相１４の流量を測定す
るには、先ず、第１乃至第４の超音波送受信部１６．１
８．２０．２２による超音波の送受信を行ない、受信さ
れた各超音波の周波数を測定する必要がある。そのため
トランシーバ４０が設けられている。このトランシーバ
４０は、例えば第３図に示すように、ブロッキング発振
回路４２、受信増幅回路４４、検波回路４６、シュミッ
ト回路４８、トリガ回路５０からなり、ブロッキング発
振回路４２からの発振出力によって送信器として用いて
いる超音波送受信部から超音波パルスを送信し、これを
受信器として用いている別の超音波送受信部で受信して
電気信号に変換し、これを受信増幅回路４４で受信増幅
した後、検波回路４６て検波し、シュミット回路４８で
波形成型し、トリガ回路５０に供給し、該トリガ回路５
０がブロッキング発振回路４２をトリガして、このブロ
ッキング発振回路４２が、再び送信用の超音波送受信部
に超音波パルスを発生させるものである。そして、ブロ
ッキング発振回路４２が発振してから再度発振するまで
の時間間隔、即ちトリガ回路５０がトリガ信号を発生す
る時間間隔を測定し、それの逆数を求めることによって
ｆＩ２、ｆ２□、ｆ　ｆｆ４＋　ｆ　４３を測定するこ
とができる。このような周波数測定装置の構成は公知で
あるのて、図示を省略しである。

ｆ□２を測定する場合、第１の超音波送受信部１６をブ
ロッキング発振回路４２に接続し、第２の超音波送受信
部１８を受信増幅回路４４に接続する必要がある。また
、ｆ２□を測定する場合、第１の超音波送受信部１６を
受信増幅回路４４に接続し、第２の超音波送受信部１８
をブロッキング発振回路４２に接続する必要がある。同
様に、ｆ３４を測定する場合、第３の超音波送受信部２
０をブロッキング発振回路４２に接続し、第４の超音波
送受信部２２を受信増幅回路４４に接続する必要がある
。また、ｆ４３を測定する場合、第４の超音波送受信部
２２をブロッキング発振回路４２に接続し、第３の超音
波送受信部２２を受信増幅回路４４に接続する必要があ
る、そのため、ＣＰＵ５２からそれに内蔵されたプログ
ラムに従ってライン５４を経て供給される制御信号によ
り各端子間の接続関係か制御されるスイッチ部５６が設
けられている。スイッチ部５６はトランシーバ４゜のブ
ロッキング発振回路４２に接続された端子５６ｅ、受信
増幅回路４４に接続された端子５６ｆ、第１の超音波送
受信部１６に接続された端子５６ａ、第２の超音波送受
信部１８に接続された端子５６ｂ、第３の超音波送受信
部２０に接続された端子５６ｃ、第４の超音波送受信部
２２に接続された端子５６ｄを具備している。端子５６
ｅ　、　５６ｆと端子５６ａ乃至５４ｄの接続関係は上
記のようにＣＰＵ５２から構成される装置信号により順
次切換えられる。また、トランシーバ４０からＣＰＵ５
２にｆｌｌ、ｆｌｌ、ｆ３４、ｆ４３を表わすデータも
供給される。さらに、ＣＰＵ５２にはアーム２８の傾斜
角θ３も逐次入力される。なお、アーム２８の長さ見１
、超音波送受信部相互間の距ｌｔＬ、管体ｌＯの高さＨ
，Ｈ３の６値はすべて一定の値であるから、ＣＰＵ５２
に予め入力されていることが望ましい、また、ＣＰＵ６
０には圧力センサ５７、温度センサ５９から気相の圧力
、液相の温度を示す信号が入力される。これらの情報は
、各相の流速ｖｌ　、ｖ２を演算するに当って容積流量
から質量流量への変換を行なうのに使用される。６０は
ｃｐｕｓｚの演算結果を表示する表示部である。

上記の測定装置において、液相１４のレベルによってア
ーム２８の傾斜角θ３が決定され、またこのθ３の決定
によって超音波送受信部１５．１８の送受信角θ１．超
音波送受信部２０．２２の送受信角０２は適正に自動設
定される。また、ＣＰＵ５２はθ１の入力によって（１
３）式、（１６）式によるＨ、、Ｈ。

を演算する。

ＣＰＵ５２からスイッチ部５６に供給される制御信号に
より、該スイッチ部５６は先ず端子５６ｅを端子５６ａ
に、端子５６ｆを端子５６ｂに接続して、第１の超音波
送受信部１６を送信状態に、第２の超音波送受信部１８
を受信状態とする。また、トランシーバ４０を作動状態
にして、このときの超音波信号の周波数ｆｌｔをＣＰＵ
５２に入力する。次に制御信号によりスイッチ部５６を
切換えて、その端子５６ｅを端子５６ｂに、端子５６ｆ
を端子Ｓ６ａに接続し、第１の超音波送受信部１６を受
信状態に、第２の超音波送受信部１８を送信状態とし、
このときの超音波信号の周波数ｆｉｌをＣＰＵ５２に入
力する。ＣＰＵ５２は上記周波数ｆ　１２＋　ｆ　２１
を用いて（３）式の演算を行ない、（１９）式で表わさ
れる気相１２の流速ｖ１を演算する。

次に制御信号によってスイッチ部５６を切換えトランシ
ーバ４０を第３及び第４の超音波送受信部２０．２２に
接続し、上記と全く同じ手順で（２０）式で表わされる
液相１４の流速■２を演算する。なお、本願発明の測定
装置では、θ１の決定によってθ１、θ２も自動的に決
定されるから、これら０１、θ２の値もＣＰＵに入力す
るようにすれば、（６）式、（１２）式の演算によって
Ｖ　＠　、　Ｖ　２を演算することもできる。

最後に（１３）式、（１６）式で表わされるＨｌ、Ｈ２
を演算し、これと上記のｖ、、ｖ、とから気相１２、液
相１４の各流量を演算し、その結果は表示部６０に表示
される。

上記の実施例ではアーム２８の傾斜角θ、を用いてＨｉ
、Ｈｔの演算、θ１、θ２の自動設定を行ったが、適正
な超音波の送受信が出来るように。

手動でθ３、θ２を設定してこれをＣＰＵ５２に入力し
、これから８１．Ｈｔを演算することもできる。この場
合は測定の自動化は出来ないが、回転角度検出器コロは
不要になり、ｃｐｕｓｚも若干簡単になる。

また、上記の実施例では、超音波を第１または第３の超
音波送受信部から送信し、第２または第４の超音波送受
信部で受信したときの周波数と、超音波の送受信を上記
と逆にしたときの周波数との差を用いて気相、液相の各
流速、従ってこれらの流量を演算したか、超音波を第１
または第３の超音波送受信部から送信し、第２または第
４の超音波送受信部で受信するまでの時間と、超音波の
送受信を上記と逆にしたときの時間との差から気相、液
相の流量を演算することもできる。

〈発明の効果〉 以上のように、この発明による流量測定装置によれば、
蒸気のような気相とドレンのような液相とが層をなして
流れている状態で、これらを各別に測定することができ
る。従って、気相と液相とを分離するためのセパレータ
や、分離された液相と気相とをそれぞれ流すための配管
が不要になり、装置全体を小型化することができる。ま
た、この発明の装置では、液相の表面か波立つような使
用状態においても、超音波反射板２４の作用により、超
音波の反射が確実に行なわれ、それぞれの流量を極めて
精確に測定することか出来るという大きな効果がある。

さらに、本発明の装置を、例えば蒸気使用装ごとスチー
ムトラップとの間の特にスチームトラップに近い側に設
けると、蒸気使用装置での蒸気使用量（ドレン発生量）
及びスチームトラップでの蒸気漏洩量を知ることができ
る。また、蒸気使用装置の入口側に設けると、蒸気の消
費量及びトレンの混入量を知ることができる。

【図面の簡単な説明】

ｆｊＩＪ１図は本発明による二相流超音波式流量測定装
置の一実施例の概略構成図、第２図は第１図をイーイ線
方向に見た概略断面図、第３図は同実施例で使用するト
ランシーバのブロック図、第４図は従来の気相と液相と
の流量測定装置の概略構成図である。 ｌＯ・・・・・・管体、１６・・・・・第１の超音波送
受信部、１８・・・・第２の超音波送受信部、２０・・
・・・第３の超音波送受信部、２２・・・・第４の超音
波送受信部、２４−−−会超音波反射板、２８．３０・
・・・アーム、５２・・・・ＣＰＵ　（演算手段）。 特許出願人　株式会社　チイニルブイ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）気相と液相とが層をなして流れる管体と、上記管
   体内において、上端が該管体内の上部の水平軸により枢
   支された対をなすアームにより支持され、上記液相の面
   のレベルと一致してその液相面のレベルの変動に伴って
   水平状態を維持しつゝ上下する超音波反射板と、 上記管体の気相側にこの気相の流れの方向に沿って所定
   の間隔を隔てゝ配置され、相互間で気相を通過して上記
   超音波反射板の上面で反射された超音波信号を送受信す
   る第１及び第２の超音波送受信部と、 上記管体の液相側にこの液相の流れの方向に沿って所定
   の間隔を隔てゝ配置され、相互間で液相を通過して上記
   超音波反射板の下面で反射された超音波信号を送受信す
   る第３及び第４の超音波送受信部と、 上記液相のレベルを検出するレベル検出手段と、 上記第１及び第２の超音波送受信部で受信された第１の
   超音波信号対、上記第３及び第４の超音波送受信部で受
   信された第２の超音波信号対が供給されて上記気相、液
   相の各流速を演算する手段と、 上記の各流速と上記レベル検出手段から供給される液相
   のレベルを表わす信号とから、上記気相、液相の各流量
   を演算する手段と、からなる二相流超音波式流量測定装
   置。
2. （２）レベル検出手段は、上記アームの基準線に対する
   傾き角から液相のレベルを検出することを特徴とする請
   求項（１）記載の二相流超音波式流量測定装置。
3. （３）レベル検出手段は、上記第１及び第２の超音波送
   受信部による超音波の送受信角度または第３及び第４の
   超音波送受信部による超音波の送受信角度から液相のレ
   ベルを検出することを特徴とする請求項（１）記載の二
   相流超音波式流量測定装置。