JPH04213066A - パイプ内の流れ状態を感知する流れ状態センサー - 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】

本発明は、パイプまたは容器内を流体が流れているか、
流体が含まれているか、または流体が存在しないかを判
定するため使用可能な流体ライン状態センサーシステム
に関する。

【０００１】発電所には通常、熱交換器を介してタービ
ンへまたはタービンから流体を運ぶ何百もの流体（例え
ば高温蒸気）パイプラインが存在する。これらのライン
を通過する流体は、そのパイプが配置された環境の温度
よりもかなり高い温度を持つ場合が多い。

【０００２】典型的な発電所に用いられるような流体パ
イプ系は、流れ状態をモニターする装置を備えている。 発電所のモニター及びオンライン診断システムでは、排
出ラインまたはプロセス流体ラインのような種々のパイ
プライン内の流れ状態を電子的に検証する必要がしばし
ばある。これらのラインは、全体の流体回路との接続を
弁により断続されるため、そこを流れる流体の流れ状態
は間欠的なものである。

【０００３】隔離弁または放出弁のような流れ制御装置
に関連する接点が閉じて予想される流れ状態が発生して
いるか否かを、独立の信号で検証できると有利である。 一般的に、例えばパイプを比較的多量の流体が流れてい
るか、流れが存在しないか、または、例えば漏洩のある
弁から比較的少量の流体が流れ出ているような有意の漏
洩が存在するか否かを検証できると良い。

【０００４】診断システムは、流体パイプ系の何百もの
部位に配置されたセンサーを用いる場合がある。かかる
診断システムは、コストを大幅に上げる要因になること
がある。かかるシステムにセンサーを設置するに要する
全コストは、システムの全コストのかなりの部分になる
ことがある。従って、各センサー部位に安価なセンサー
を配置できれば有利である。かかる安価なセンサーの１
つとして熱電対がある。

【０００５】従来のシステムの中には、熱電対と呼ばれ
る熱電対ジャンクション装置を設置した幾つかの種類の
装置がある。各装置は弁を横断する方向のパイプ表面ま
たは運転時かなりの温度差が発生するパイプ長部分にパ
イプに関し軸方向に取り付けた熱電対よりなる。しかし
ながら、このように軸方向に熱電対を配置すると幾つか
の問題が生じる。例えば、軸方向に配置した複数の熱電
対を評価電子装置と接続するため幾つかの長いワイヤが
必要となる。更に、熱電対を配置する部位を決定するた
めのエンジニアリング・コストは、かかる従来のシステ
ムではかなり高いものとなる。加えて、幾つかのかかる
装置からの信号を解釈するためのエンジニアリング・コ
ストも相当なものとなる。更に、２つの軸方向部位（例
えば隔離弁の両側）の温度差信号を発生すべく複数の熱
電対を軸方向に配置した場合、流体ラインの他の所で（
例えば排出ラインの口部）で生じた流れ閉塞状態を検出
できない。

【０００６】従って、本発明の主要目的は、流体パイプ
系に設置するのが比較的簡単でコストが低い、パイプま
たは容器の流れ状態を判定するための流体ライン状態セ
ンサーシステムを提供することにある。

【０００７】上述の及び他の目的は、本発明の一実施例
によると、パイプに関し半径方向に向いたロッド状熱伝
導部材と、この熱伝導部材に取り付けた２個または３個
以上の熱電対よりなる比較的コストの低いセンサー組立
体を用いることにより達成される。熱伝導部材の第１の
端部はパイプの外周面と接触または熱的連通関係にある
ように配置され、また該熱伝導部材の第２の端部はその
パイプから離隔した位置にある。パイプと第１の端部と
の間を熱が伝達すると、パイプに隣接する熱伝導部材端
部の温度がパイプから離隔した熱伝導部材端部の温度よ
りもパイプ内の流体の温度に大きく影響されるから、熱
伝導部材に沿って温度勾配が生じる。例えば、第１の端
部近くには比較的高い温度が、また第２の端部近くには
比較的低い温度状態が生じる。熱電対がこの熱伝導部材
の長さ方向に沿って取り付けられるが、その１つはもう
一方の熱電対よりパイプに近い所に配置される。

【０００８】熱電対から得られる温度依存信号は適当な
評価電子装置に送られる。評価電子装置は熱電対からの
信号に基づき２つの熱電対間の温度差を測定する。そし
て、この温度差を既知のまたは所定の値と比較してパイ
プ内の流れ状態を判定する。

【０００９】以下、本発明の実施例を、流体パイプ系が
設置された環境の周囲温度よりも高い温度の流体を運ぶ
流体パイプ系に関連して説明する。この説明に用いる実
施例は、発電所のパイプ系、例えば化石燃料または原子
力発電所において蒸気または水を含むパイプに用いるの
に特に適している。しかしながら、本発明は発電所に用
いる以外の流体パイプまたは容器系にも利用可能である
ことを認識されたい。

【００１０】第１図は、流体パイプ１２の一部と接続し
たセンサー組立体１０を示す。パイプ１２は好ましくは
、鉛、鉄、銅またはステンレススチールもしくは任意の
他の適当な熱伝導材料により形成され、流体が運ばれる
中空の内部１４を画定する円筒状部材である。パイプ１
２の周りには断熱材の層１６を設ける場合がある。

【００１１】パイプ１２は、例えば発電所に用いる流体
パイプ系の一部となり得る。パイプ１２により運ばれる
流体は、発電所の種々のシステムを通してまたはそれら
の間を流動する流体であって、タービンロータへのまた
はロータから運ばれる流体を含む。

【００１２】センサー組立体１０は、パイプ１２と熱的
連通関係におかれた熱伝導部材１８を有する。この第１
図の実施例では、熱伝導部材１８は第１の端部２０と第
２の端部２２とを有する円柱状ロッドである。熱伝導部
材１８は金属のような熱伝導材料で作られている。

【００１３】第１図に示すように、熱伝導部材１８はパ
イプ１２から半径方向に延び、断熱材１６を貫通する。 ロッドの端部２０は、ロッドの端部２２よりもパイプ１
２に近い所にある。ロッドの端部２０は、パイプ１２の
外周面と当接関係にあるのが好ましい。

【００１４】熱伝導部材１８は、クランプ２４によりパ
イプ１２に固定されている。以下に説明するようにクラ
ンプ２４を用いると、熱伝導部材１８を孔開けまたは溶
接によらずにパイプ１２に固定することができる。しか
しながら、孔開けまたは溶接の必要なものを含む熱伝導
部材をパイプ１２に固定する他の手段及び方法も本発明
の範囲内に含まれることはいうまでもない。

【００１５】クランプ２４は、自動車用ホースクランプ
に似たものを用いることができる。この点に関し、クラ
ンプ２４はパイプ１２の周面に配置する帯状材２６であ
ってもよい。ねじ付き締め具２８を帯状材と連結すると
、帯状材２６の直径を選択的に増減できる。更に、ねじ
付きの締め具２８のねじを外して帯状材２６を開き、パ
イプ１２に取り付けることができる。帯状材２６をパイ
プ１２に嵌着した後、ねじ付き締め具２８を閉じた状態
で緊締することにより帯状材２６の直径を減少させる。 その結果、帯状材２６をパイプ１２にクランプし固定す
ることができる。

【００１６】熱伝導部材１８は、ろう付けまたは溶接の
ような適当な固定手段により帯状材２６に固定する。１
つの実施例では、熱伝導部材１８の一端２０を帯状材２
６に形成した開口を貫通させてパイプ１２の外周面と当
接させる。別の実施例では、熱伝導部材１８の端部２０
を帯状材２６の外周面に固定する。このもう一方の実施
例では、帯状材２６を金属のような熱伝導材料で形成し
て、熱がパイプ１２から端部２０へ伝達されるようにす
る必要がある。

【００１７】上述したように、熱伝導部材１８をパイプ
１２からその半径方向に延びるロッド状に形成すること
ができる。この熱伝導部材１８に第１及び第２の熱電対
ジャンクション３０、３２（以下熱電対と呼ぶ）を設け
る。第１の熱電対３０は、第２の熱電対３２よりも熱伝
導部材１８の端部２０に近いところに配置する。一方、
第２の熱電対３２は第１の熱電対３０よりも熱伝導部材
１８の端部２２に近い所に置く。以下において説明する
ように、このように構成する目的は、第１の熱電対３０
を第２の熱電対３２を設けた位置よりも高い温度となる
部位に配置することである。この点に関し、この所望の
効果を得るための他の熱電対配置方法を用いることも可
能である。

【００１８】各熱電対３０、３２は、第１及び第２の電
気リードを有する。第１の導電ワイヤ３４が第１の熱電
対３０の第１のリードから信号処理ユニット３６へ延び
る。第２の導電ワイヤ３８が第２の熱電対３２の第１の
リードと処理ユニット３６との間を延びる。第１の熱電
対３０の第２のリードは第２の熱電対３２の第２のリー
ドと接続され、第１と第２の熱電対３０、３２を差動接
続する。しかしながら、熱電対３０、３２を処理ユニッ
ト３６に接続する他の適当な接続方法を用いることも可
能である。

【００１９】第１図に示した導電ワイヤ３４、３８は普
通のワイヤである。熱電対３０と３２を第１図に示すよ
うに差動結合する例では、導電ワイヤ３４、３８をコス
トの低い２導体銅ケーブルに構成できる。しかしながら
、熱電対３０、３２からの信号を処理ユニット３６に運
ぶ他の伝送手段または信号伝送手段を用いてもよい。

【００２０】熱電対３０、３２及び熱伝導部材１８には
、帯状材２６から延びて熱伝導部材１８の周りに配置さ
れる中空円筒状の有孔スリーブのようなシールド３９を
設けることができる。シールド３９は、熱伝導部材１８
及び熱電対３０、３２の構造をはっきりと提示するため
第１図では分解して示されている。中空円筒状の有孔構
造の代わりに他の適当なシールド構造を用いてもよい。 シールド３９は、周囲温度が熱伝導部材１８へ伝わるの
を可能にするが、周囲空気流が熱伝導部材１８の横断方
向熱分布に与える影響を最小限に抑えることが好ましい
。シールド３９は、熱電対３０、３２及び熱伝導部材１
８を他の物体と物理的接触して損傷しないように保護す
る。シールド３９はまた、熱電対３０、３２及び熱伝導
部材１８上またはその周りにごみや埃が集積するのを防
止するごみ・埃隔離手段として作用できる。

【００２１】処理ユニット３６は、熱電対３０、３２か
らそれぞれ導電ワイヤ３４、３８に沿って周知の態様で
伝送される温度差信号を評価する電子装置を備える。こ
の処理ユニット３６の詳細については以下において説明
する。

【００２２】動作時、流体はパイプ１２の中空内部１４
を間欠的に流れる。かかる流体の温度は、パイプ１２及
びセンサー組立体１０近辺の環境の周囲温度よりも高い
。

【００２３】流体がパイプ１２を流れると、流体の熱が
パイプ１２の壁を伝わって熱伝導部材１８の端部２０へ
辿り着く。端部２０へ運ばれる熱は、熱伝導部材１８に
沿って端部２０の方へ伝わる。しかしながら、端部２０
は端部２２よりも熱源（流体及びパイプ１２）へ近いた
め、熱伝導部材１８を伝わる熱によりその熱伝導部材１
８の長さ方向に（パイペ１２の半径方向に）温度勾配が
生じる。即ち、熱伝導部材１８の端部２０が比較的高い
温度となり、端部２２が比較的低い温度となる。温度は
、熱伝導部材１８に沿って端部２０から２２の方向へ行
くに従って減少する。

【００２４】第１及び第２の熱電対３０、３２を上述し
たように配置すると、第１の熱電対３０が第２の熱電対
３２よりも高い温度領域に置かれることになる。その結
果、熱源（流体及びパイプ１２）によって、第１の熱電
対３０が第２の熱電対３２よりも高い温度に加熱される
。

【００２５】従って、流体がパイプ１２を通過すると、
第１の熱電対３０と第２の熱電対３２との間に温度差が
生じる。周囲温度と比較して高温の流体が多量にパイプ
１２を流れると（例えば、パイプ１２の上流の弁の開度
が大きい時）、パイプ１２の壁を介して比較的多量の熱
が伝達され、比較的短時間内に第１の熱電対３０と第２
の熱電対３２との間に比較的大きい定常状態温度差が生
じる。しかしながら、例えばパイプ１２の上流の弁が閉
じてはいるが漏洩している場合のようにパイプ１２を少
量の流体が流れている時、パイプ１２の壁を伝わる熱は
比較的少量であり、比較的長い時間かけて第１の熱電対
３０と第２の熱電対３２との間に生じる定常状態温度差
はかなり小さいものとなる。パイプ１２を流体が流れて
いない時（例えば、上流の弁が閉じた位置にあって漏洩
がないか、或いは上流でパイプが閉塞しているような場
合）、第１の熱電対３０と第２の熱電対３２との間には
非常に小さい定常状態温度差が生じるだけである。

【００２６】導電ワイヤ３４と３８を伝送される信号は
、熱電対３０と３２との間の温度差を表わす。処理ユニ
ット３６に設けた信号分析電子装置（図示せず）は、以
下に説明するように論理回路を良く知られた態様で用い
て導電ワイヤ３４と３８とで伝送される信号を分析する
ことにより、第１の熱電対３０と第２の熱電対３２との
間の温度差とパイプ１２の流れ状態とを判定できる。

【００２７】第２及び３図は、本発明の実施例を用いる
パイプ系の一部を示す。これらの図はそれぞれ弁４２と
排出ライン４４とを備えた流体パイプ４０を示す。排出
弁４６は排出ライン４４に設けられている。

【００２８】第２図を参照して、第１図に示したものと
同様なセンサー組立体１０が排出ライン４４に配置され
ている。排出弁４６はセンサー組立体１０とパイプ４０
との間にある。第３図の実施例では、第１図に示したも
のと同様な第１のセンサー組立体１０が排出弁４６とパ
イプ４０との間の排出ライン４４に配置されている。第
１図に示したものと同様な第２のセンサー組立体４８が
パイプ４０に配置されている。第３図の排出ライン４４
は、パイプ４０の弁４２とセンサー組立体４８との間か
ら延びる。

【００２９】処理ユニット３６は、導電ワイヤ３４、３
８を介して伝送される信号を分析するか或いは信号分析
電子装置により測定された温度差を評価するための良く
知られた論理装置（図示せず）または良く知られたプロ
グラム可能処理装置（図示せず）を有する。かかる装置
は、パイプ１２（第１図）またはパイプ４０と４４（第
２及び第３図）に存在する流れ状態を判定するよう設計
或いはプログラムすることができる。例えば、δＴが導
電ワイヤ３４と３８とにより伝送される信号値間の定常
状態の差量を表わし、Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃ、Ｔｄ、Ｔｅが
予めセットした或いは所定の信号差量であるとすると、
処理ユニット３６を以下の判定ができるよう良く知られ
た態様で設計またはプログラムすることができる。

【００３０】１．定常状態δＴがＴａより大きい時（こ
の状態は弁開度が大きい状態、例えば第２図の排出弁４
６が大きく開いた状態）、大きい流量状態が存在する。

【００３１】２．小さい流量（または弁が漏洩している
）状態は、 Ｔｂ＜δＴ＜Ｔｃ により指示することができる。

【００３２】３．流れの無い状態（またはパイプが閉塞
した状態）は、 Ｔｄ＜δＴ＜Ｔｅ により指示され、この状態は弁が閉じた状態、例えば第
３図実施例の排出弁４６が閉じた状態に相当する。比較
される値（Ｔａ−Ｔｅ）は予想された流れ状態に基づき
選択され、そのため処理ユニット３６は予想された流れ
状態に合うか否かだけをモニターするように作用する。

【００３３】処理ユニット３６は、熱電対３０、３２か
らの信号を分析する際、系の状態を表わす情報を用いる
ことができる。例えば、かかる系状態情報を熱電対３０
、３２からの情報に関連して予想される弁の状態と共に
用いて、弁が予想したように動作しているか或いは特定
パイプの流れ状態が予想されたものであるかを判定する
ことができる。予想された弁状態情報は、操作員がかか
る情報を手動で入力する入力装置（図示せず）のような
ものから処理ユニット３６へ入力される。或いは、予想
される弁状態情報を弁制御装置（図示せず）、弁運動セ
ンサー（図示せず）、弁制御ソフトウエア（図示せず）
等により提供しても良い。弁制御装置、弁運動センサー
及び弁制御ソフトウエアは入力装置として当該技術分野
において良く知られているので、これらのものについて
は本明細書の説明を簡単にするために更に説明しない。

【００３４】発電装置のようなタービンシステムでは、
処理ユニット３６が熱電対３０、３２からの信号を分析
するにあたり弁負荷情報またはプロセス流体温度情報を
も利用できる。例えば、所定の値Ｔａ−Ｔｅは、弁負荷
またはプロセス流体温度の瞬時値に依存するかもしれな
い。タービン負荷情報及びプロセス流体温度情報は、当
該技術分野で良く知られた適当な感知装置（図示せず）
から得ることができる。

【００３５】処理ユニット３６は、センサーの置かれた
ところの外部熱伝達係数の大きさに関する情報を得るた
めδＴの変化率を評価する良く知られた手段を具備する
ことができる。この外部熱伝達係数の大きさはセンサー
位置におけるパイプ内部の流体の流速に依存するため、
処理ユニット３６は熱電対３０、３２からの信号に基づ
き流速を測定できる。

【００３６】上述した状態の判定は、処理ユニット３６
により判定を行う態様及びそれらの判定を例示したもの
にすぎない。熱電対３０、３２からの温度依存信号を分
析するため他の方法を用いることも可能である。

【００３７】以上、本発明の特定の実施例につき言及し
たが、本発明の精神から逸脱すること無く多くの変形例
及び設計変更が可能なことが理解されるであろう。例え
ば、熱伝導部材１８に沿って生じる温度勾配を更に詳細
に表わす信号を出力するため、或いは安全または精度を
上げる目的で冗長性信号を発生させるため、３個以上の
熱電対を用いることができる。頭書した特許請求の範囲
は、本発明の真の範囲及び精神に含まれる種々の変形例
及び設計変更を包含するものと意図されている。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１図は、本発明による流体パイプの一部及び
流れ状態センサーの斜視図である。

【図２】第２図は、本発明の一実施例に用いる流体パイ
プ系の一部を示す概略図である。

【図３】第３図は、本発明の一実施例を用いる流体パイ
プ系の一部を示す概略図である。

【符号の説明】

１０　　センサー組立体 １２　　流体パイプ １６　　断熱材 １８　　熱伝導部材 ２０　　第１の端部 ２２　　第２の端部 ２４　　クランプ ２６　　帯状材 ３０、３２　　熱電対ジャンクション ３４、３８　　導電ワイヤ ３６　　信号処理ユニット ３９　　シールド

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　流体を運ぶパイプ内の流れ状態を感知
   する流れ状態センサーであって、前記パイプと熱的連通
   状態におかれ、前記パイプ内の流体の流れに関し横断す
   る方向に離隔配置された第１及び第２の部位を有する熱
   伝導部材と、前記第１及び第２の部位と熱的連通関係に
   おかれた第１及び第２の熱電対ジャンクションとからな
   ることを特徴とするセンサー。
2. 【請求項２】　　前記熱伝導部材が前記パイプに接触す
   る第３の部位を有し、前記第１の部位が前記第２の部位
   よりも前記第３の部位に近いことを特徴とする請求項１
   に記載のセンサー。
3. 【請求項３】　　周囲温度より高い温度の流体を運ぶパ
   イプを設けたパイプ系において、第１及び第２の部位を
   有し、前記パイプと熱的連通関係に取り付けられ、前記
   パイプにより流体が運ばれると前記第１の部位から前記
   第２の部位へ温度勾配を発生させる熱伝導部材と、前記
   第１及び第２の部位と熱的連通関係におかれた第１及び
   第２の熱電対ジャンクションとよりなることを特徴とす
   る流れ状態センサー。
4. 【請求項４】　　前記熱伝導部材が、熱伝導材料により
   形成された実質的に円柱状ロッドよりなることを特徴と
   する請求項３に記載のセンサー。
5. 【請求項５】　　前記ロッドが前記パイプと接触するよ
   うに配置された第１の端部及び前記パイプから離隔した
   第２の端部を有し、前記パイプにより流体が運ばれると
   前記パイプを介して前記ロッドの第１端部の方へ熱が伝
   達されることを特徴とする請求項４に記載のセンサー。
6. 【請求項６】　　前記第１の部位が、前記第２の部位よ
   りも前記第１の端部に近いことを特徴とする請求項５に
   記載のセンサー。
7. 【請求項７】　　前記ロッドが、前記パイプに関し実質
   的に半径方向に延びることを特徴とする請求項４に記載
   のセンサー。
8. 【請求項８】　　前記第１及び第２の熱電対ジャンクシ
   ョンが、前記熱伝導部材の第１及び第２の部位に配置さ
   れていることを特徴とする請求項３に記載のセンサー。
9. 【請求項９】　　前記状態センサーが更に前記パイプと
   前記熱伝導部材に固定されたクランプを備え、前記クラ
   ンプにより前記熱伝導部材が前記パイプに固定されるこ
   とを特徴とする請求項３に記載のセンサー。
10. 【請求項１０】　　前記クランプが、前記パイプの周面
    の周りに配置された帯状材と前記帯状材の直径を減少さ
    せる手段とよりなることを特徴とする請求項９に記載の
    センサー。
11. 【請求項１１】　　前記第１及び第２の熱電対ジャンク
    ションがそれぞれ前記第１及び第２の部位の温度に関連
    する値を有する信号を出力し、前記センサーが前記第１
    及び第２の熱電対ジャンクションにそれぞれ接続されて
    該ジャンクションからの信号を評価する評価手段を備え
    てなることを特徴とする請求項３に記載のセンサー。
12. 【請求項１２】　　前記第１の熱電対ジャンクションを
    前記評価手段へ接続するためにただ１本の導電ワイヤを
    備え、前記第２の熱電対ジャンクションを前記評価手段
    へ接続するためにただ１本の導電ワイヤを備えることを
    特徴とする請求項１１に記載のセンサー。
13. 【請求項１３】　　前記第１及び第２の熱電対ジャンク
    ションがそれぞれ第１及び第２のリードを有し、前記第
    １の熱電対ジャンクションの前記第１のリードが前記第
    ２の熱電対ジャンクションの前記第１のリードと電気接
    続されることを特徴とする請求項３に記載のセンサー。
14. 【請求項１４】　　前記センサーが、前記第１及び第２
    の熱電対ジャンクションの前記第２のリードに電気的に
    接続された信号プロセッサを備えることを特徴とする請
    求項１３に記載のセンサー。
15. 【請求項１５】　　前記第１及び第２の熱電対ジャンク
    ションが前記第２の導電ワイヤへ温度に依存する信号を
    出力し、前記信号プロセッサが前記第１と第２の部位の
    間の温度差を決定するために前記第２の導電ワイヤ上の
    信号を評価する手段を備えてなることを特徴とする請求
    項１４に記載のセンサー。
16. 【請求項１６】　　前記信号プロセッサが、前記第１と
    第２の部位の間の温度差の変化率を評価する手段を更に
    備えてなることを特徴とする請求項１５に記載のセンサ
    ー。
17. 【請求項１７】　　前記センサーが、前記信号プロセッ
    サに作動的に接続されて予想される状態を表わすデータ
    を前記信号プロセッサへ入力する手段を更に備えてなる
    ことを特徴とする請求項１４に記載のセンサー。
18. 【請求項１８】　　前記センサーが、前記熱伝導部材に
    隣接して配置されて前記熱伝導部材及び前記熱電対ジャ
    ンクションが損傷を受けるに十分な量の周囲空気流、埃
    、ごみ及び物体と接触するのを防止するシールドよりな
    ることを特徴とする請求項３に記載のセンサー。
19. 【請求項１９】　　前記シールドが、前記熱伝導部材の
    周りに配置される中空部材であることを特徴とする請求
    項１８に記載のセンサー。
20. 【請求項２０】　　前記中空部材が、実質的に円筒状の
    有孔部材であることを特徴とする請求項１９に記載のセ
    ンサー。