JPH0612279B2

JPH0612279B2 - 二相流超音波式流量測定装置

Info

Publication number: JPH0612279B2
Application number: JP28855488A
Authority: JP
Inventors: 守永瀬
Original assignee: TLV Co Ltd
Current assignee: TLV Co Ltd
Priority date: 1988-11-14
Filing date: 1988-11-14
Publication date: 1994-02-16
Anticipated expiration: 2009-02-16
Also published as: JPH02134517A

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。

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で受信
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
液相とが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ゝ上下し得るよう
に支持された超音波反射板が設けられている。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
の間隔を隔てゝ上流側の第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ゝ設けられて
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
に基づいて液相の流速が検出される。さらに、上記反射
板を支持するアームの水平線・垂直線等の基準線に対す
る傾き角あるいは各超音波送受信部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。

＜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
ので、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ができる。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ｖ_１
で同図の左側から右側に向けて流れている。管体10の下
方にはドレンのような液相14が速度ｖ_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_１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とが距
離Ｌだ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θ_２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の上端は
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、液面が上下すると、
反射板24は液面のレベルと一致しつゝ水平を保って上下
し、アーム28が例えば水平面となす角度θ_３が変化す
る。アーム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θ_３が検出される。

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が同じく反射板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_１が設定される。この角度θ_１は液面の高さＨ_２、
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24の高さＨ_２によって決まるアーム28の角度θ_３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
θ_１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θ_１を手動で設定してもよい。

液相14側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θ_２が設定さ
れる。この角度θ_２はθ_１の設定と同様に回転角度検出
器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。

こゝで、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ｌ_１とし、気相12の静止状
態における音速をC₁、気相12の流速をｖ_１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、
反射板24のＡ点で反射され、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、気相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、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点までの距離をｌ_２とし、液相14の静止状態
における音速をＣ_２、液相14の流速をｖ_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、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ｖ_２の影響を受けて、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で
受信された超音波信号の周波数ｆ₄₃は、液相14の速度ｖ
_２の影響を受けて、となる。ｆ₃₄とｆ₄₃との差のビート周波数Δｆ_２を取る
と、となる。ここで、ｌ_２は、である。従って、Δｆ_２はとなり、ｖ_２は、となる。

ここで、管体10の全体の高さをＨ、管体10の頂部から液
面までの距離をＨ_１、液面から管体10の底までの距離を
Ｈ_２、管体10の頂部からアーム28の上端の回転軸32まで
の距離をＨ_３、アーム28の長さをｌ_３、アーム28の水平
線に体する傾斜角をθ_３とすると、よりが得られる。

また、より、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、となり、気相の流速ｖ_１、液相の流速ｖ_２が得られる。
これら気相の流速ｖ_１、液相の流速ｖ_２と、(13)式で得
られた気相が流れている部分の高さＨ_１、(16)式で得ら
れた液相が流れている部分の高さＨ_２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、18、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で検波し、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50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、ブロッキング発信回路42が発信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ｆ₁₂、ｆ₂₁、ｆ₃₄、ｆ₄₃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、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20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が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40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に性属された端
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56e、56fと端子56a乃至56dの接続関
係は上記のようにＣＰＵ52から供給される制御信号によ
り順次切換えられる。また、トランシーバ40からＣＰＵ
52にｆ₁₂、ｆ₂₁、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θ_３を逐次
入力される。なお、アーム28の長さｌ_３、超音波送受信
部相互間の距離Ｌ、管体10の高さＨ、Ｈ_３の各値はすべ
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、ＣＰＵ60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ｖ_１、ｖ_２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ＣＰＵ52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θ_３が決定され、またこのθ_３の決定によ
って超音波送受信部16、18の送受信角θ_１、超音波送受
信部20、22の送受信角θ_２は適正に自動設定される。ま
た、ＣＰＵ52はθ_３の入力によって(13)式、(16)式によ
るＨ_１、Ｈ_３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56
f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ｆ₁₂をＣＰＵ52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5
6bに、端子56fを端子56a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ｆ₂₁をＣＰＵ52に
入力する。ＣＰＵ52は上記周波数ｆ₁₂、ｆ₂₁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ｖ_１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
ｖ_２を演算する。なお、本願発明の測定装置では、θ_３
の決定によってθ_１、θ_２も自動的に決定されるから、
これらθ_１、θ_２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_１、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Ｈ_１、Ｈ_２を演算
し、これと上記のｖ_１、ｖ_２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_３を用いてＨ_１、
Ｈ_２の演算、θ_１、θ_２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θ_１、θ_２を設
定してこれをＣＰＵ52に入力し、これからＨ_１、Ｈ_２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36は不要になり、ＣＰＵ52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が、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、液相の表面が波立つような使
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
確に測定することが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図は第１図をイ−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。 10……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……超音波反射板、28、30
……アーム、52……ＣＰＵ（演算手段）。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。