JPH05503366A - 流れる流体中の気泡を検出するためのシステム及び方法 - 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】 ′れる′　の　゛　るためのシスーム　び技癒阿分団 この発明は移動する流体における気泡検出の分野に、更に詳細には、従来よりも 高い信頼度で移動する気泡又は同様のものの存在を検出するための装置及び方法 に関係している。

背景五街 移動する流体中の気泡を確実に検出する必要性は多（の状況において重要であり 得る０例えば、フィルムコーティング動作において、コーティング段階における フィルム感光乳剤中に存在する気泡は結果として生じるフィルムコーティングに おけるストリーキングを生しさせ、従ってフィルム往産の損失を生じさせること がある。気泡の検出は後程の摘出のためにフィルムウェブにおける疑わしい欠陥 区域の標識付けのような補正作用を生じる結果となることがあり又はそうでない 場合にはコーティング過程の一時的中断を生じる結果になるので、気泡検出が確 実に動作して、実際に流体中に気泡の存在しないときに気泡検出の間違った読み を与えないことが重要である。

一つの周知の気泡検出技法はドツプラー周波数偏移検出法を利用して流体中の移 動する気泡の存在を検出している。流体が流れている導管の長さに沿って高周波 エネルギーのバーストを送受信するために変換器が使用される。変換器により受 信された反射エコーは流体中の気泡の存在を示すような特徴的周波数偏移を伴っ たものを見つけるために解析される。察知されることであろうが、そのような検 出技法は又移動する固体粒子をも検出するので、ここでの気泡への言及は固体粒 子をも包含するものと理解されるべきである。

この目的のために一般に有効ではあるが、そのようなシステムは、検出が実際の 事象、すなわち移動する気泡を示しているのか又は信号における電気的苦しくは 機械的に誘起された雑音に起因する誤った検出表示にすぎないのかに関して不確 定性があるという検出体転性問題を有することが判明している。

それゆえに、改善された検出信転度を与える移動する流体中の気泡の検出のため の装置及び方法を提供することがこの発明の目的である。

光皿塁Ｍ丞 それゆえ、この発明に従って、音響エコー検出法により細長い導管の一部分を流 れる流体における気泡の存在を検出するための改良された方法が提供されており 、これにおいて改良は、導管部分に流れる流体の速度を検出する段階、導管部分 に沿って音響エネルギーの第１バーストを送信する段階、及び導管中で移動する 気泡の存在を潜在的に示しているドツプラー屑波数偏移エコー信号を検出する段 階を含んでいる。この発明の方法は更に、気泡の潜在的存在が実際に真であるな らば第１の送信バーストから既知の時間後に送信された音響エネルギーの第２バ ーストからエコー信号が生じるような所定の時間間隔を流体速度に基づいて確立 する段階、第１バースト後の既知の時点で第２バーストを送信する段階、第２の 送信バーストからエコー信号を検出する段階、及びエコー信号が所定の時間間隔 中に検出された場合にだけ気泡の実際の存在を確立する段階を含んでいる。

この発明の別の特徴に従って、移動する流体における気泡のような異物を検出す るための装置は、流体を流すように構成された導管の一部分、導管を通る流れ速 度を検出するための装置、導管を通して軸方向に音響エネルギーの第１及び第２ のバーストを既知の時間間隔で送信するための装置、流体と共に移動する気泡の 存在を潜在的に表示するドツプラー周波数偏移エコー信号を検出するための装置 、潜在的な気泡が実際の事実であるとしたならばエコー信号が発生するようなエ ネルギーの第２バーストの送信後の所定の時間間隔を流体の流れ速度に基づいて 確立するための装置、並びにエコー信号が所定の時間間隔内に発生したときに気 泡の実際の存在を表示するための装置、を備えている。

園里匁旦単星説皿 図面中、 図１はこの発明の気泡検出装置の概略図である。

図２はこの発明の詳細な説明するのに有効な気泡流のｇＡ図である。

光皿炙ス施工蚤方法 図１に言及すると、この発明の気泡検出システムは高周波音響エネルギーのバー ストを、細長い導管１４中を矢印１２の方向に流れる流体１０へ結合するように 構成された変換器組立体２０及び２５を備えている。変換器組立体２０．２５は それぞれ導管１４の拡大部分１４ｂ及び１４ｃの周りに同心的に取り付けられた 変換器リング２１．２Ｇを含んでいる。拡大部分１４ｂ及び１４ｃ内には中心に ブラケット２３及び２８によって偏向器２２及び２７が取り付けられている。

偏向器２２．２７のそれぞれには変換器からの音響エネルギーを中央導管部分１ ４ａに沿って方向的に９０”偏向させるための４５″円すい反射器面２２ａ及び ２７ａが準備されている０反射器面２２ａ及び２７ａは又中央導管部分１４ａか ら現れる音響エネルギーをそれらのそれぞれの変換器リング２１．２６へ９０゛ 偏向させるのに役立つ。両度換器組立体は中央導管部分１４ａを通る流体１０の 流れ速度の測定のために使用される９組立体の一つだけ、明確には図示の実施例 においては組立体２０が、導管部分１４ａにおける気泡の存在を少なくとも潜在 的に示すような反射エコー信号の検出と関連して使用される。

変換器リング２１．２６において音響エネルギーの時間決めされたバーストを生 成するために使用されるパルス式音響周波数信号は、バースト制御回路３２及び マイクロ制御器３４の制御の下で動作する主発振器３０及びゲート回路３１によ って供給される。これらのパルスは、マイクロ制御器３４によって決定されたと ころにより、流体流れ速度測定が必要とされているか又は気泡検出が必要とされ ているかに依存して、送信器増幅器回路３５及び反転スイッチ３６によって変換 器リング２１及び２６の一方又は両方に供給される。音響エネルギーの送信バー ストのタイミングは指定間隔タイマを含んでいるバースト制御器３２によって開 始される。このタイマは又、等速呼出記憶装置（ＲＡＭ）　５２がＡ／Ｄ変換器 ４６からのディジタル化アナログデータで満たされるレートを制御する標本化レ ート発振器５４を始動させる。プログラム可能な計数器５６はＲＡＭ５２に記憶 された標本の数を計数する。計数器５６は、そのプログラムされた限界に達する と、標本化レート発振器５４を停止させ、従ってその後のどのような記憶をも停 止させ、又主データ解析器ＣＰＵ５０を遮断して、これにデータ獲得が完了して いることを知らせる。

流体流れ速度測定のために、変換器リング２１．２６により検出された音響パル スはスイッチ３６によって、帯域フィルタ３７、検出器回路３８及び比較ＲＳ＠ 路３９からなる信号検出段に、そしてマイクロ制御器３４に供給される。流体流 れ速度が決定されるべきときには、マイクロ制御器３４は反射スイッチ２６を動 作させて、一対の連続した音響エネルギーパルスが中央導管部分１４ａを通って 反対方向に送信されるようにするパルスのそれぞれの開始時点及び受信時点はマ イクロ制御器３４によってデータ解析器５０に供給され、データ解析器は各パル スに対する走行時間を計算し、次に二つの走行時間の差から既知の方法で流れ速 度を計算する。

図２に言及すると、変換器Ａ及びＢ間で右から左へ流れる流体速度Ｖ、は次の式 から計算される。

Ｖｏ　十ＶＦ　＝　Ｌ／　ｔ　ｍａ　（１）及び ＶＯＶＦ　＝　Ｌ／　ｔ　Ａｍ　（２）ここで、 ｖｏ−静止した流体媒体における音響速度ｔｌＡ”’変換器ＢからＡへの送信エ ネルギーバーストの走行時間ｔＡｌ””変換器ＡからＢへの送信エネルギーバー ストの走行時間Ｌ　−変換器Ａ及びＢ間の距離 上の式から、ｖｏ及びＶ、の値は 及び であることが示される。

このように流体速度を決定した後、送信音響バースト間の所定の時間間隔を仮定 してこの値を用いて、第２の連続したエコーが流体中で移動している実際の気泡 から反射されるようなことの発生時点を予測することができる。

図１の図示の実施例においては、気泡検出はエコーが変換器リング２１により検 出されたときに与えられる。気泡の移動のために、このエコーはドツプラー周波 数偏移を有している。エコー信号は線３３及び４０によりスイッチ３６の左側接 点を通してリミッタ増幅器４１にそして次にミクサ回路４２に送られ、ここで発 振器３０からの信号周波数ｆＯと混合されて和及び差周波数成分を生成する。

この差周波数成分は低域フィルタ増幅器４４を通して次に検出器回路４５及びア ナログ−ディジタル変換器回路４６に送られ、ここで検出信号は等速呼出記憶装 置５２に送られる前にディジタル形式に変換される。潜在的に、この検出エコー 信号は中央導管部分１４ａに存在する気泡からの反射の結果であると推測され得 るであろう、しかしながら、経験によると、このような単一の事象の検出は流体 における気泡の実際の発生の確実な表示子ではない、この発明の特定の特徴に従 って、エコー信号が今説明されたように発生したときには、ＣＰＵ５０は上に説 明されたようにして以前に決定された流体流れ速度から、実際に第１エコー信号 が気泡又は粒子からの真の反射であったならばエコーの受信されることが期待さ れるような、変換器２１に送られた第２パルスの開始後の所定の期間を計算する ようにプログラムされている。それゆえ、再び図２を参照して、気泡検出期間中 、潜在的な気泡Ｐからの時点ｔ１におけるエコーは、関係式により決定されるよ うな、送信／受信変換器Ａからの距離Ｉ、にこの「気泡Ｊを配置している。これ が流体速度Ｖ、で移動している真の気泡であると仮定すれ【ｆ、気泡は関係式 ％式％（６） から、連続した送信音響エネルギーバースト間に存在するｔ７の期間中に距離（ ＋、−１りを進行してＰ′に位置すると予測されることができる。それゆえに、 予測された新しい位置Ｐ′においては、距離１２はになるであろう。方程式（６ ）及び（７）を組み合わせてｔ！について解くと、が得られる。それゆえ、前の エコーが真の気泡を表わしていたならば第２エコーが受信されるような時を知れ ば、この時間値はデータ解析器、ＣＰＵ　５　（＋及び記憶装置５２において１ ０％のようなプラス又はマイナスのある値を設定されることができ、そしてエコ ーがこの所定の期間中に検出されたならば、実際の検出気泡の存在を示すために 表示が記録されることができる。

実際には予測期間は、例えば流体の実際の速度と計算速度との間のわずかな差を 補償するために有限の持続時間、例えば到着の予測時点のプラス又はマイナス１ ０％、を伴って決定されることが望ましい、　ＣＰＵ　５０は、気泡の真の検出 が行われたことを確立すると、流体移送システムにおける適当な制御器（図示さ れていない）への出力を発生して、気泡がその近似的大きさと共に検出されたこ とを表示することができ、従って適当な補正作用がシステムによってとられ得る 。真の気泡検出の信転性を更に増大するために、この予測的過程はセンサ導管部 分の長さによってだけ限定されて多数回繰り返されることができる。

この発明の最も簡単な形式においては、導管部分１４ａの直径の全域における流 体の速度分布特性は一定であると仮定することができる。これは流体の流れが理 想的な乱流であるとすれば事実であろう、しかしながら、多くの場合には、流体 は層流で導管を流れ、この場合流体速度は導管の中心からの半径方向距離の関数 として放物線状に変化し、中心においては高い方の速度が発生する。このような 場合には、流体流れ速度は既知の速度測定技法によって導管の断面の全域にわた って決定されることが望ましいであろう、　ＣＰＵ　５０はその場合、実際に真 の気泡が検出されているとしたならば第２エコーが生しるような、導管の中心か らの半径方向距離の関数としての一連の累進的に異なった予測期間を計算するよ うにプログラムされることになるであろう、しかしながら、この場合、あいまい な検出を更に区別するために、ｃｐｕは３以上の送信信号からの反射、例えば６ 又は８の連続した標本を解析して、導管部分１４ａの中心からの所与の半径に対 応する一連の計算期間の同しものにおけるエコーの繰返し発生によって気泡又は 粒子の真の存在を確認するようにプログラムされることが望ましいであろう。

この発明は特に現在採択された実施例に関して詳細に説明されたが、この発明の 精神及び範囲内において種種の変形及び変更が行われ得ることは理解されるでＦ ＩＧ、２ 要約書 流れる流体における気泡又は粒子検出の信転性はパルス式ドツプラー周波数検出 器を用いて改善される。エコー信号が受信されて、担体流体における気泡又は粒 子の存在が潜在的に示されると、担体流体の流れ速度に基づいて、第１エコーが 実際に流体における真の気泡又は粒子を表していたならば第２質問パルスがエコ ーを生成すると予測されるような第２質問パルス後の所定の期間が確立される。

この期間中の第２エコーの検出は気泡又は粒子の存在を確認する。一定でない断 面速度分布特性を持った流体の流れ、例えば層流、に対しては、流体導管から半 径方向に隔置された速度分布特性における種種の点に対して複数の異なった予測 期間が確立され、そして多数の検出循環過程が使用されて、これにより流体断面 の種種の半径方向位置において気泡又は粒子が検出される。

国際調査報告 １ｍ＃Ｍｍ−＾−ｓｂｃｍ＋＋ｅｓＮ・ｐｃＴ／Ｕｓ９１１０７６１４

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. １．細長い導管の一部分を流れる流体における移動する粒子、例えば気泡、の存 在を音響エコー検出法によって検出するための改良された方法であって、改良が 、 導管部分に流れる流体の速度を検出すること、導管部分に沿って、第１音響信号 を送信して導管部分における気泡の存在を潜在的に表示するエコー信号を検出す ること、気泡の潜在的存在が実際に真であるならば第１送信信号から既知の時間 後に送信された第２音響信号が第２エコー信号を生成するような所定の期間を既 知の流体速度に基づいて確立すること、 第１送信信号後の前記の既知の時点において導管部分に沿って第２音響信号を送 信すること、及び 第２エコーが前記の所定の期間中に検出された場合にだけ気泡の真の存在を記録 すること、 を含んでいる前記の方法。
2. ２．導管部分を通る流体の流れの方向に直交する法体の断面面積の全域における 液体流れ速度の非一様な分布特性、 導体部分の中心からの速度流の半径方向位置に対応する一連の異なった所定の期 間を確立すること、及び エコーが所与の期間において２度を超える所定の最少回数検出されたときにだけ 気泡検出の真の存在を記録すること、を更に含んでいる、請求項１の方法。
3. ３．ドップラー周波数偏移エコー信号を検出すること、を更に含んでいる、請求 項１の方法。
4. ４．導管部分に流れる流体の速度を決定するための装置、音響エネルギーの少な くとも一対のバーストを導管部分に沿ってバースト間の所定の時間間隔で送信す るための装置、導管における気泡により潜在的に反射された前記の送信エネルギ ーバーストのエコーを検出するための装置、 前記の一対の送信バーストの第１のものからのエコーの検出に応答して、気泡の 潜在的存在が実際に真であるならば第２送信エネルギーバーストが第２エコー検 出を生成するような所定の期間を既知の流体速度及び連続した送信エネルギーバ ースト間の時間間隔から確立するための装置、並びに第２エコーが前記の所定の 期間中に検出された場合にだけ気泡の真の存在を確認するための装置、 を備えている、細長い導管の一部分を流れる流体における気泡のような粒子の存 在を検出するためのシステム。
5. ５．前記の流体速度決定装置が導管部分の中心軸の半径方向外側の所定数の位置 で流体速度を決定して、導管部分を通る流体の法れの方向に直交する流体の断面 面積の全域における速度分布特性を確立し、前記の確立する装置が前記の速度分 布特性の種種の半径方向位置に対応する複数の異なった期間系列を確立し、且つ 前記の確認する装置が、エコーが所与の期間系列において２度を超える所定の最 少回数検出されたときにだけ検出気泡の真の存在を記録するための装置を備えて いる、 請求項４に記載のシステム。
6. ６．前記の検出装置が前記の送信エネルギーバーストのドップラー周波数偏移エ コーの検出のために適応させられている、請求項４に記載のシステム。