JPH0612278B2

JPH0612278B2 - 二相流超音波式流量測定方法及び測定装置

Info

Publication number: JPH0612278B2
Application number: JP63260220A
Authority: JP
Inventors: 守永瀬
Original assignee: TLV Co Ltd
Current assignee: TLV Co Ltd
Priority date: 1988-10-14
Filing date: 1988-10-14
Publication date: 1994-02-16
Anticipated expiration: 2009-02-16
Also published as: JPH02107924A

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方法及び装
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
上記の流量及びドレンの流量をそれぞれ測定する必要に
迫られることがある。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、ドレン専用の配管３とを設け、
蒸気は配管２に、ドレンは配管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、蒸気とドレン
との流量を個別に測定していた。

＜発明が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。

本発明は、蒸気のような気相と、ドレンのような液相と
をそれぞれ分離することなく流量を測定することができ
る方法及び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、本発明では、第１の相と第
２の相が階層をなして流れる管体において、第１の相側
にその流れる方法に沿って所定の間隔を隔てて第１及び
第２の超音波送受部が設けられている。第１の超音波送
受部は、流れの上流側に設けられ、第２の超音波送受部
は下流側に設けられている。そして、第１の超音波送受
部から送信された超音波は、第１及び第２の相の境界面
で反射され、第２の超音波送受部で受信される。逆に、
第２の超音波送受部から受信された超音波は第１及び第
２の相の境界面で反射され、第１の超音波送受部で受信
される。

第２の相側には、第１または第２の超音波送受部から送
信され、第１の相を通過し、第１の相と第２の相との境
界面で屈折して、第２の相側に入った超音波を受信する
第３の超音波送受部が設けられている。

第１の超音波送受部から送信され、第２の超音波送受部
で受信された超音波信号と、第２の超音波送受部から送
信され、第１の超音波送受部で受信された超音波信号と
に基づいて、第１の相の速度が演算される。また、第１
または第２の超音波送受部から送信され、第３の超音波
送受部で受信された超音波信号と、第１の超音波送受部
から送信され、第２の超音波送受部で受信されたか、あ
るいは第２の超音波送受部から送信され、第１の超音波
送受部で受信された超音波信号とに基づいて第２の相の
速度が演算される。これら第１及び第２の相の速度を用
いて、第１及び第２の相の流量が演算される。

＜作用＞第１の超音波送受部は第１の相の上流側に設けられてい
るので、第１の超音波送受部から送信され、第２の超音
波送受部で受信された超音波信号は、第２の超音波送受
部に向う間に第１の相の速度の影響を受けて加速されて
いる。逆に、第２の超音波送受部は第１の相の下流側に
設けられているので、第２の超音波送受部から送信さ
れ、第１の超音波送受部で受信された超音波信号は、第
１の超音波送受部に向う間に第１の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の超音波信
号検出部で受信された超音波信号を演算することによっ
て、第１の相の速度を演算することができる。

第１または第２の超音波送受部から送信され、第３の超
音波送受部で受信された超音波信号は、第３の超音波信
号検出部に向う間に、第１の相の速度及び第２の相の速
度の影響を受けて、加速または減速されている。このう
ち、第１の相の速度による加速または減速の程度は、第
１または第２の超音波送受部でから送信され、第２また
は第１の超音波送受部で受信された超音波信号と同じで
ある。よって、第３の超音波送受部で受信された超音波
信号と、第１または第２の超音波送受部で受信された超
音波信号とを用いて、演算することにより、第２の相の
速度を演算することができる。

このようにして求められた第１の相の速度及び第２の相
の速度とを用いて、第１及び第２の相の流量が演算され
る。

＜実施例＞第１図において、10は配管で、その内部の上方には蒸気
12が速度ｖ_１で、同図の左側から右側に流れている。同
様に、配管10の下方にはドレン14が速度ｖ_２で、左側か
ら右側に流れている。

配管10の蒸気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距離Ｌだけ隔てて、第２
の超音波送受信部18が設けられている。第１及び第２の
超音波送受信部16、18は、送信または受信した超音波が
水平面となす角度を任意に変更できるように図示しない
ホルダに支持されており、第１の超音波送受信部16から
送信された超音波が、蒸気12とドレン14との境界面で反
射し、第２の超音波送受信部18で受信されるように、か
つ第２の超音波送受信部18から送信された超音波が上記
の境界面で反射し、第１の超音波送受信部16で受信され
る角度θ_１をなすように調整されている。この角度θ_１
の設定方法については後述する。

また、ドレン14側には、第１の超音波送受信部16から送
信され、蒸気12とドレン14との境界面で屈折した超音波
を受信できる位置及び角度θ_２に第３の超音波送受信部
20が設けられている。第３の超音波送受信部20も、上記
の角度θ_２を変更可能に、かつ配管10の長さ方向に移動
可能に図示しないホルダに支持されている。この第３の
超音波送受信部20の設置位置及び角度θ_２の設定方法に
ついては後述する。なお、第１乃至第３の超音波送受信
部16、18、20としては超音波振動子を用い、１台で送信及
び受信に兼用している。

ここで、第１及び第２の超音波送受信部16、18から送信
された超音波信号の境界面における反射点をＡとし、第
１及び第２の超音波送受信部16、18から反射点Ａまでの
距離をｌ_１とし、蒸気12の静止状態における音速をＣ_１
とすると、第１の超音波送受信部16から送信され、境界
面で反射され、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、蒸気12の速度ｖ_１の影響を受け
て、となる。逆に、第２の超音波送受信部18から送信され、
境界面で反射され、第１の超音波送受信部16で受信され
た超音波信号の周波数ｆ₂₁は、蒸気12の速度ｖ_１の影響
を受けて、となる。ｆ₁₂とｆ₂₁との差のビート周波数Δｆ_１を取る
と、となる。ここで、ｌ_１は、である。従って、Δｆ_１はとなり、ｖ_１は、によって求められる。

ここで、ｆ₁₂とｆ₂₁との和のビート周波数は、となる。一方、スネルの法則により、ドレン14の静止状
態における音速をＣ_２とすると、であるので、となる。なお、Ｃ_２はドレンの静止状態において、温度
と圧力とを測定し、これに基づいて演算する。よって、
(9)式より、となる。このθ_２となるように第３の超音波送受信部20
を調整し、かつ第１の超音波送受信部16からの超音波が
受信できる位置まで、水平に第３の超音波受信部20を移
動させる。そして、受信した超音波信号の周波数ｆ
₁₃は、蒸気14とドレン16とで加速されているので、反射
点Ａから第３の超音波送受信部20までの距離をｌ_２とす
ると、となる。これを変形することにより、ｖ_２はとなる。但し、ｌ_２は、配管10の直径をＨとすると、である。

このようにして、蒸気の速度ｖ_１、ドレンの速度ｖ_２を
求めると、（Ｌ／２）tanθ_１の演算を行なって、蒸気1
2が流れている部分の高さ寸法Ｈ_１を求め、Ｈ−（Ｌ／
２）tanθ_１でドレンが流れている部分の高さ寸法Ｈ_２
を求め、これらｖ_１、Ｈ_１を用いて蒸気12の流量を求
め、ｖ_２、Ｈ_２を用いてドレン14の流量を求める。

上記のようにして、蒸気12及びドレンの流量を測定する
には、まず第１乃至第３の超音波送受信部16、18、20から
超音波の送受信を行ない、受信された超音波の周波数を
測定する必要がある。そのため、トランシーバ22が設け
られている。このトランシーバ22は、例えば第２図に示
すように、ブロッキング発振回路24、受信増幅回路26、
検波回路28、シュミット回路30、トリガ回路32からな
り、ブロッキング発振回路24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26で受信増幅した後、検波回路28で検波し、シュミッ
ト回路30で波形成型し、トリガ回路32に供給し、トリガ
回路32がブロッキング発振回路24をトリガして、ブロッ
キング発振回路24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24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32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ｆ₁₂、ｆ
₂₁、ｆ₁₃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で、図示を省略してある。

ｆ₁₂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24に接続し、第２の超音波送受信部18を
受信増幅回路26に接続する必要がある。また、ｆ₂₁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26
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24に接続する必要がある。また、ｆ₁₃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24
に接続し、第３の超音波送受信部20を受信増幅回路26に
接続する必要がある。そのため、スイッチ部34、36が設
けられている。これらスイッチ部34は、トランシーバ22
のブロッキング発振回路24に接続された端子34aと、受
信増幅回路26に接続された端子34bと、第１の超音波送
受信部16に接続された端子34dと、スイッチ部36の端子3
6aに接続された端子34dを有する。スイッチ部36は端子3
6aの他に、第２の超音波送受信部18に接続された端子36
bと、第３の超音波送受信部20に接続された端子36cとを
有する。ｆ₁₂を測定する場合、スイッチ部34は制御信号
によって端子34aと端子34cが接続され、端子34bが端子3
4dに接続された状態に切り換わり、スイッチ部36は、制
御信号により、端子36aが端子36bに接続された状態に切
り換わる。ｆ₂₁を測定する場合、スイッチ部34は、制御
信号によって端子34aが端子34dに接続され、端子34bが
端子34cに接続された状態に切り換わり、スイッチ部36
は、制御信号によって端子34aが端子36bに接続された状
態に切り換わる。また、ｆ₁₃を測定する場合、スイッチ
部34は制御信号によって端子34aと端子34cが接続され、
端子34bが端子34dに接続された状態に切り換わり、スイ
ッチ部36は、制御信号により、端子36aが端子36cに接続
された状態に切り換わる。

これら制御信号は、マイクロコンピュータ38より供給さ
れる。また、マイクロコンピュータ38にはトランシーバ
22からのｆ₁₂、ｆ₂₁、ｆ₁₃を表わすデータも供給されて
いる。さらに、配管10に設けられた圧力センサ40、温度
センサ42の出力もマイクロコンピュータ38に供給されて
いる。これら圧力センサ40、温度センサ42は、静止状態
におけるドレン14の音速Ｃ_２を算出するために設けられ
ている。マイクロコンピュータ38は、内蔵するプログラ
ムに従ってスイッチ部34、36を制御し、トランシーバ22
や圧力センサ40や温度センサ42の出力に基づいて蒸気1
2、ドレン14の流量を測定する。なお、44はマイクロコ
ンピュータ38に付属する表示部である。

第３図はマイクロコンピュータ38の動作の概略を示すフ
ローチャートで、まず第１及び第２の超音波送受信部1
6、18間の距離Ｌをキーボード等を用いて入力する（ステ
ップＳ２）。次いで、ドレン14が静止している状態で圧
力センサ40から圧力信号を、温度センサ42か温度信号を
それぞれ入力し（ステップＳ４）、これら温度信号及び
圧力信号に基づいて静止状態におけるドレンの音速Ｃ_２
を演算する（ステップＳ６）。なお、演算する代りに、
ＲＯＭ等に様々な圧力信号及び温度信号とに対応する各
音速を記憶させておき、入力された温度信号及び圧力信
号に対応する音速Ｃ_２を読み出すようにしてもよい。

次にスイッチ部34、36を切り換えて、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（ステップＳ８）。これに次いで、トランシー
バ22を作動状態とし、第２の超音波送受信部18で超音波
が受信できるか判断し（ステップＳ10）、この答がＹＥ
ＳになるまでこのステップＳ10を繰返す。この間に、人
手によって第１及び第２の超音波送受信部16、18の角度
θ_１の調整が行なわれる。

ステップＳ10の答がＹＥＳになると、そのときの角度θ
_１をキーボードによって入力し（ステップＳ12）、トラ
ンシーバ22からｆ₁₂を入力する（ステップＳ14）。

次に、スイッチ部34、36を切り換えて、第１の送受信部1
6を受信状態に、第２の超音波送受信部18を送信状態と
し（ステップＳ16）、ｆ₂₁をトランシーバ22から入力す
る（ステップＳ18）。そして、上述した(6)式に基づい
て上記の速度ｖ_１を演算する（ステップＳ20）。

そして、上述した式(10)に基づいて、θ_２を求め、これ
を例えば表示部44に表示する（ステップＳ22）。次に、
スイッチ部34、36を切り換えて、第１の超音波送受信部1
6を送信状態に、第３の超音波送受信部20を受信状態と
する（ステップＳ24）。この間に、人手により第３の超
音波送受信部20に角度θ_２をとらせるように調整する。
そして、第３の超音波送受信部20で超音波が受信できて
いるか判断し（ステップＳ26）、この答がＹＥＳになる
までこのステップＳ26を繰返す。この間に第３の超音波
送受信部20を人手により水平方向に移動させ、ステップ
Ｓ26の答がＹＥＳになるようにする。

ステップＳ26の答がＹＥＳになると、トランシーバ22か
らｆ₁₃を入力し（ステップＳ28）、これに続いて上述し
た式(11)に基づいてドレンの速度ｖ_２を演算する（ステ
ップＳ30）。

最後に、Ｈ₁、Ｈ₂を演算し、ｖ_１、Ｖ_２を用いて蒸気1
2、ドレン14の流量を演算する。

上記の実施例では、第３の超音波送受信部20は、第１の
超音波送受信部16から送信された超音波を受信するよう
に構成したが、第２の超音波送受信部18から超音波を送
信し、これを受信するように構成してもよい。その場
合、ｖ_２の演算は、第２の超音波送受信部から送信さ
れ、第３の超音波送受信部で受信された超音波の周波数
をｆ₂₃とすると、ｖ_２はで演算される。

また、上記の実施例では第１及び第２の超音波送受信部
を蒸気側に設けて、まず蒸気の速度を求め、第１の超音
波送受信部から送信した超音波をドレン側に設けた第３
の超音波送受信部20で受信し、そのとき測定した周波数
ｆ₁₃、と先に測定したｆ₁₂とを用いて、ドレンの速度ｖ
_２を求めたが、第１及び第２の超音波送受信部をドレン
側に設け、第１または第２の超音波送受信部から送信さ
れ、蒸気とドレンの境界面でドレン側に反射された超音
波を第２または第１の超音波送受信部で受信して、(6)
式と同様な式でドレンの速度を求め、第３の超音波送受
信部を蒸気側に設け、第１または第２の超音波送受信部
から送信され、境界面で屈折して、第３の超音波送受信
部で受信された超音波の周波数と、第１の超音波送受信
部から送信したと送信し、第２の超音波送受信部で受信
された超音波の周波数または第２の超音波送受信部から
送信し、第１の超音波送受信部で受信された超音波の周
波数とを用いて、蒸気の速度を演算するようにしてもよ
い。

さらに、上記の実施例では、第１の超音波送受信部から
送信し、第２の超音波送受信部で受信したときの周波数
と、第２の超音波送受信部で送信し、第１の超音波送受
信部で受信したときの周波数との差を用いて蒸気の速度
を演算したが、第１の超音波送受信部16から送信し、第
２の超音波送受信部18で受信するまでの時間と、第２の
超音波送受信部18で送信し、第１の超音波送受信部16で
受信するまでの時間との差を測定し、これを用いて蒸気
の速度の演算をしてもよい。無論、この場合、ドレンの
速度の演算に用いるため、第１を超音波送受信部から送
信され第３の超音波送受信部で超音波が受信されるまで
の時間を測定する。

＜発明の効果＞以上のように、本発明のよる方法及び装置によれば、蒸
気とドレンのような二相流が流れている状態で、これら
の流量をそれぞれ測定することができる。従って、蒸気
とドレンとを分離するためのセパレータや、分離された
蒸気とドレンとをそれぞれ流すための配管が不要とな
り、流量の測定に用いる装置を小型化することができ
る。

また、本発明の装置を、蒸気使用装置とスチームトラッ
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減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
びドレンの混入量を知ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１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図は同実施例で使用するトラ
ンシーバのブロック図、第３図は同実施例に使用したマ
イクロコンピュータの動作フローチャート、第４図は従
来の蒸気とドレンとの流量測定装置の概略構成図であ
る。 10……配管（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、38……マイクロコンピュータ（演算手段）。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】それぞれ異なる第１及び第２の相が層をな
して流れる管体において第１の相側に第１の相が流れる
方向に沿って間隔を隔てて配置された第１及び第２の超
音波送受部のうち、上流側にある第１の超音波送受部か
ら基準値で送信され、下流側にある第２の超音波送受部
で受信され、第１の相の速度によって上記基準値よりも
値が変動している超音波信号と、第２の超音波送受部か
ら上記基準値で送信され、第１の超音波送受部で受信さ
れ、第１の相の速度によって上記基準値よりも値が変動
している超音波信号に基づいて第１の相の速度を演算す
る段階と、第１または第２の超音波送受部から送信され第１及び第
２の相を通過し上記管体の第２の相側に設けられた第３
の超音波送受部で受信され第１の相及び第２の相の速度
によって基準値よりも値が変動している超音波信号と、
第１及び第２の超音波送受部の一方から送信され他方で
受信された超音波信号とに基づいて、第２の相の速度を
演算する段階と、第１の相速度に基づいて第１の相の流量を、第２の相速
度に基づいて第２の相の流量をそれぞれ演算する段階とを具備する二相流超音波式流量測定方法。
【請求項２】それぞれ異なる第１及び第２の相が層をな
して流れる管体において第１の相側に第１の相が流れる
方向に沿って間隔を隔てて配置され、相互間において第
１の相を通過して第２の相の表面で反射された超音波信
号を送受信する第１及び第２の超音波送受部と、上記管体の第２の相側に設けられ第１または第２の超音
波送受部から送信され、第１の相及び第２の相を通過し
た超音波信号を受信する第３の超音波送受部と、第１の超音波送受部から基準値で送信され、第１の相の
速度によって基準値よりも値が変動して第２の超音波送
受部で受信された超音波信号と、第２の超音波送受部か
ら基準値で送信され、第１の相の速度によって基準値よ
りも値が変動して第１の超音波送受部で受信された超音
波信号とに基づいて、第１の相の速度を演算する手段
と、第１の超音波送受部または第２の超音波送受部から基準
値で送信され、第３の超音波送受部で受信され第１及び
第２の相の速度の影響を受けている超音波信号と、第１
及び第２の超音波送受部の一方から送信され他方で受信
された超音波信号に基づいて、第２の相の速度を演算す
る手段と、第１の相の速度に基づいて第１の相の流量を、第２の相
の速度に基づいて第２の相の流量を、それぞれ演算する
手段と、を具備する二相流超音波式流量測定装置。