JPH07504744A - 非貫入型流体検知システム - 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、概括的に、導管内を流れる液体等の流体の流れの変数を検出して監視 するための改良されたシステム及び方法に関する。

より具体的には、本発明は流体に貫入しない又は流体を邪魔しない方法により流 体の流速、温度及び圧力を測定するための検知システム及び方法に関する。

流体用導管は液体状又は気体状の流体を一つの位置から他の位置へ配送するため に産業用プロセス等で広く使用されている。多（の場合、処理装置の適切及び／ 又は安全な作動を確保するために、流体の流れを監視することが必要であるか或 いはそれが望ましい。−例として、原子力発電プラントの設備においては、流量 、温度及び圧力のような様々な流体の流れの変数を監視することが必要である。

従って、従来技術において、この目的のために様々な監視装置及び技術が開発さ れてきた。しかし、流体の流れを監視するためのこのような従来技術による装置 及び方法は、一般的に流体用導管の孔を通して延びて流体流れストリームに直接 接触するように取付けられた流れに侵入する温度及び／又は圧力ブローブを利用 してきた。導管内のプローブ用孔を設けるこの要求により、監視装置の製造と維 持は比較的コスト高となり、更にプローブ用孔は潜在的に有害な処理流体が漏洩 する場所となる。

近年、特に導管内でのいくっがの液体流の流れの変数を監視するために用いられ る非貫入検知システムが開発されてきた。そのような非貫入システムは流れの導 管の外側に取付けられて導管及びその中流れストリームに斜めに通るパルス化さ れた信号を２方向に発信して受信する超音波変換器を使用していた。これらのパ ルス化された信号の上流方向への伝達速度と下流方向への伝達速度とを測定する ことにより、液体流れストリームの流速を計算することが可能である。更に、こ の伝達時間情報により、液体流れストリーム内での音速の計算が可能である。

上述の型の非貫入検知システムは多くの作動環境において非常に望まれているの であるが、それらの実際の利用は比較的少数の流れの変数の監視に限られていた 。より具体的には、従来の非貫入システムは流れストリームの温度と圧力の正確 で信頼性のある測定値を得るようには設計されていなかった。温度と圧力の測定 を得るためには、貫入型の監視装置が一般的に要求されていた。

従って、導管内を流れる流体を非貫人的に監視するための検知システム及び方法 において、特に温度及び圧力のような付加的な流体の変数の監視に関して、更な る改良の大きな必要性が存在する。本発明はこれらの必要性を充足し、更に関連 する利点を提供する。

発明の概要 本発明によれば、導管内を流れる流体を監視するための改良された検知システム が提供される。本システムは、流体の流速、温度及び圧力を導出するための信号 の相対的伝達時間を解析する手段と組み合わされ、導管及び／又はその中の流れ ストリームを通過してパルス化された超音波信号のような複数の信号を送信して 受信するための複数の流体に貫入しない又は流体の流れを邪魔しない変換器を有 する。本システムは特に液体流れストリームの監視に適合する。

本流れ検知システムは、導管の対向側で長手方向に離間した位置に取付けられた 一対の超音波流量計変換器を有する。これらの流量計変換器は、導管と流れスト リーム内を斜めに横断して通過するように延在する伝達ラインに沿ってパルス化 された超音波信号を発振して受信するように設計される。流量計変換器は上流方 向と下流方向とにおける信号の伝達時間を表す適当な出力を生成し、これらの出 力は流れストリームの速度を適当に計算して導出するためのプロセッサに供給さ れる。更に、プロセッサは流れストリーム内の流体の圧力と温度によって変化す る音速を計算するためにこれらの出力に反応する。

好適な形において、検知信号は超音波温度変換器及び超音波圧力変換器を更に有 し、両者は流量計変換器に対して所定の間隔を置いた配置で非貫人的方法によっ て導管上に取付けられる。温度変換器は流量計変換器の一つに長手方向に離間し た関係で配置され、導管内を長手方向に通過する超音波温度信号の伝達時間を監 視するようにそれと共働する。この温度信号の伝達時間は、共働する変換器の間 の距離の直接関数であり、この距離により次に導管の壁温の直接関数となる。よ って、適当な温度を表す出力信号がプロセッサに供給される。

圧力変換器は流量計変換器のような他の変換器の一つに対して周方向に離間した 位置に配置され、導管の外周の一部を通って超音波圧力指示信号の伝達時間を監 視するためにそれと共働する。超音波信号の伝達時間は、導管壁温と周方向応力 として導管に加えられる流体圧力とが組み合わされた結果の関数であるため、こ れらの組み合わされた結果を表す得られた出力信号はプロセッサに供給される。

しかし、プロセッサは導管内の流体圧力の指示値を導出するために温度の部分を 減算するように、上述のように温度信号に基づいて導管壁温に起因する結果を決 定することができる。

導出された流体圧力レベルは、プロセッサにより前もって決定された流体音速と 比較される。流体内の音速は流体圧力及び温度によって変化するので、流体圧力 の独立的決定によりプロセッサが流体温度を決定するために音速を分析すること が可能となる。従って、本発明によれば、流体速度、圧力及び温度は非貫入セン サを使用することにより全て決定することができる。

本発明の他の諸口的、特徴及び利点は、以下の詳細な説明と本発明の原理を例示 する添付の図面とによって、より一層明瞭となるであろう。

図面の簡単な説明 添付の図面は本発明を示す。

図１は本発明の新規な特徴を具体化する非貫入流れ検知システムと組み合わされ た流体が流れる導管の部分斜視図であり；図２は図１に示された導管と検知シス テムの拡大部分側面図であり； 図３は流体の流れの多数の変数の測定を得るための検知システムの動作を示すフ ローチャート図である。

好適な実施例の詳細な説明 例示的な図に示されるように、参照符号ＩＯにより図１に概括的に表わされる非 貫入流れ検知システムは、導管１４内の流体流れストリーム１２を監視するため に設けられる。検知システムｌＯは、導管１４上に取付けられた複数の変換器を 含み、導管を通って及び／又はその中の流れストリームを通って様々な方向に音 響信号を発信して受信する。プロセッサ１６は、信号の伝達時間を監視するため に、そしてそれから速度、温度及び圧力等の流れストリームの変数の正確な測定 値を導出するために、変換器に接続される。

本発明の検知システムｌＯは、導管等を通過する流れストリームに関する種々の 重要な流れの変数を測定するために特に設計され、その中で、監視される変数は 導管に形成されるセンサプローブ用孔を必要としない完全に流れに貫入しない又 は流れを邪魔しない方法により得られる。従って、本発明のシステム１０は、従 来のセンサプローブ取付は場所を通じた漏洩の心配熱（、有害な流体及び／又は 高熱又は高圧下の流体を安全に使用することができる。更に、システム１０は、 最初の導管の設置手順の間に、或いはその後で導管内の流体の流れを遮断するこ と無（改造部品として、迅速に且つ容易に導管に取り付けることができる。

一般的に、改良された流れ検知システムｌＯは、超音波流れ検知システムに関し て従来技術で知られているように導管１４の外側の選択された離間した位置に適 当に取付けられた一対の超音波流量計変換器１８及び２０を含む。これらの流量 計変換器１８及び２０は、パルス化された超音波信号を発信して受信するいわゆ る剪断又はレイリー・クランブーオン型の圧電変換器よりなる。図１に示される ように、流量計変換器１８及び２０は、伝達のラインが導管の壁を通るようにそ して矢印２２で示されるように上流及び下流に延在する方向の重要な成分を有し て流体の流れストリームを斜め方向に横切るように、導管の反対側及び長手方向 に離間した位置に取付けら、　れる。

プロセッサ１６は、流量計変換器１８及び２０が上流及び下流方向の信号伝達時 間を監視するように動作及び制御し、変換器は適当な出力１９及び２０をプロセ ッサ１６の一部を形成する第１の計算器２３（図３）に供給する。この第１の計 算器２３は、流速及び流体を通過する音の速度の正確な指示値を導出するために 従来技術により知られているアルゴリズムを利用している。この点に関しては、 そのような超音波流量計の構成は、特に導管内の液体のストリームの流速を監視 するための使用において従来技術により知られている。

導出された流速及び音速は、夫々分離された出力２５及び２７（図３）として第 １の計算器２３に供給される。音速出力２７は流体の温度と圧力による関数の変 数であるため、以下にさらに詳しく説明するように、音速出力はこれらの変数を 決定するためにプロセッサ１６内で更に利用される。

検知システムｌＯは、導管１４上に非貫人的に取付けられる他の超音波変換器の 形の温度変換器２４及び圧力変換器２６を更に含む。

これらの温度及び圧力変換器２４及び２６は、制御された伝達路に沿って導管内 を他の超音波信号を送信し受信するために、少なくとも一つの変換器１８及び２ ０と共働する。これらの他の信号の伝達時間は、流体温度及び圧力の指示値を得 る為にプロセッサ１６によって分析される。

さらに具体的には、図１及び２に示されるように、温度変換器２４は流量計変換 器１８と所定の長手方向の距離をおいて長手方向のライン上に配置される。変換 器１８と２４との間を通過する超音波信号は、矢印２８で示される伝達路に沿っ て導管の壁の中を進み、信号の進む特定の距離に対応する伝達時間を表し、ここ で距離の変化は流体の流れ又は圧力とは独立している。しかし、変換器１８と２ ４との間の距離の変化は、導管の壁の温度変化の直接関数であり、温度の上昇は 変換器間の距離を増大させるような壁の材料の膨張により表され、その逆も成り 立つ。従って、変換器１８と２０との間の信号伝達時間は、導管の壁温を表して 直接的に相関されつる。変換器２４からの出力信号２９はこの壁温を表し、プロ セッサ１６の一部を形成して流体圧力を導出する第２の計算器３１に一つの入力 として供給される。

圧力変換器２６は流量計変換器１８と同じ長手方向位置又は面ではあるが所定の 周方向に離間した関係で取付けられる。従って、矢印３０で示される伝達路に沿 った変換器１８と２６との間の導管１４の壁内を通過する超音波信号の伝達時間 は離間距離を表し、この離間距離の変化は温度及び圧力が組み合わされた結果の 関数となる。

即ち、導管壁温の上昇は変換器間の距離の増大となる。同様に、導管１４内の流 体圧力の増大は、導管壁の材料に加わるフープ応力の結果として変換器間の距離 の増大となる。よって、圧力変換器２６からの出力３２は流体圧力及び導管壁温 の成分を表し、この出力３２は圧力計算器３１に第２の入力として供給される。

プロセッサ１６は、流体の流れストリームの圧力を決定するために温度及び圧力 変換器２６及び２８からの伝達時間情報を受け取って分析する。より具体的には 、図３に示されるように、温度及び圧力変換器からの伝達時間情報は、プロセッ サ１６の圧力計算器３１に最初に供給される。この計算器３１において、温度変 換器２４から得られた導管壁温の影響は、圧力変換器２６から供給された組み合 わされた圧力一温度指示値から補償係数として減算され、それによって、プロセ ッサ１６の出力３４として流体圧力の計算による導出を可能にする。この流体圧 力の導出は、従来技術により知られており、計算器３１にプログラムされた適当 なアルゴリズムを使用することによって得られる。

導出された圧力情報は、プロセッサ１６の他の一部を形成し変換器の伝達時間情 報に基づいて流体温度の指示値を導出するプロセッサ１６内の第３の計算器３６ に供給される。この温度計算器３６は、第１の計算器２３から流体音速信号２７ を受け取る。流れストリーム内の音の速度は、温度及び圧力の変化に関数的に関 連しているので、計算された圧力情報は、プロセッサの他の出力３８として流体 温度の正確に導出された指示値を供給するために温度計算器３６によって使用さ れる。再び、この温度の導出は従来技術により知られている適当なアルゴリズム を使用することによって得られる。

従って、本発明の検知システム１０は、流体温度及び圧力の導出を可能にするた めに付加的な音響信号及び関連する伝達時間測定値を供給することにより、従来 技術による超音波流量計システムに関する重要な改良を提供する。これらの付加 的な変数は、流体導管の壁の関連する取付は孔に貫入するセンサプローブを設け る必要無く得られる。

本検知システム１０の様々な変形例及び改良例は、当業者には明らかであろう。

例えば、温度及び圧力変換器２４及び２６は流量計変換器の一つと関連して説明 したが、所望の長手方向及び周方向の伝達時間測定値を得るために他の変換器を 使用してもよいということが理解されるであろう。従って、本発明は、添付の請 求の範囲を除き、上述の説明及び添付の図面により限定されるものでは無い。

国際調査報告

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．導管内の流体流れストリームを監視する流体流れ検知システムであって、 一対の所定の長手方向に離間した点の間の流れストリームを略斜めに横切る音響 信号を２方向に送信して受信し、信号伝達時間を測定するための第１の手段と、 一対の所定の間隔で長手方向に整列した点の間で長手方向に導管を通る音響信号 を送信して受信し、信号伝達時間を測定するための第２の手段と、 一対の所定の間隔で周方向に整列した点の間で周方向に導管を通る音響信号を送 信して受信し、信号伝達時間を測定するための第３の手段と、 流体の流速、温度及び圧力を表す出力を供給するために前記第１、第２及び第３ の手段により測定された信号伝達時間に応答する処理手段と よりなる流体流れ検知システム。
2. ２．前記第１、第２及び第３の手段の各々は一対の超音波変換器よりなる請求項 １記載の流体流れ検知システム。
3. ３．前記第１、第２及び第３の手段は非貫入的に導管に取付けられた複数の変換 器よりなる請求項１記載の流体流れ検知システム。
4. ４．前記第１の手段は長手方向に離間した関係で導管の略対向側に取付けられた 一対の超音波発信−受信流量計変換器よりなり、前記第２の手段は前記流量計変 換器の一つに対して長手方向に離間して長手方向に整列した関係で導管に取付け られた温度変換器よりなり、前記第３の手段は前記流量計変換器の一つに対して 周方向に離間して周方向に整列した関係で導管に取付けられた圧力変換器よりな る請求項１記載の流体流れ検知システム。
5. ５．前記処理手段は、流体ストリームの流速及び流れストリーム内の音の速度を 決定するために前記第１の手段によって測定された信号伝達時間に応答する第１ の計算手段と、流れストリームの圧力を決定するために前記第２及び第３の手段 によって測定された信号伝達時間に応答する第２の計算手段と、流れストリーム の温度を決定するために流れストリーム内の音の速度及び流れストリームの圧力 に応答する第３の計算手段とを有する請求項１記載の流体流れ検知システム。
6. ６．導管内の流体流れストリームを監視する流体流れ検知システムであって、 導管に非貫入的に取付けられ、重要な上流−下流方向成分を有する所定の点の間 の流れストリームを斜め方向に横切る音響信号と、所定の点の間で導管の一部を 長手方向に通る音響信号と、所定の点の間で導管の一部を周方向に通る音響信号 とを送信して受信し、且つ信号伝達時間を測定する複数の音響変換器と、流れス トリームの速度、圧力及び温度を決定するために測定された信号伝達時間に応答 する計算手段と よりなる流体流れ検知システム。
7. ７．導管内の流体流れストリームを監視する流体流れ検知システムであって、 導管に非貫入的に取付けられ、所定の点の間で導管の一部を長手方向に通る音響 信号と所定の点の間で導管の一部を周方向に通る音響信号とを送信して受信し、 且つ信号伝達時間を測定する複数の音響変換器と、 流れストリームの速度、圧力及び温度を決定するために測定された信号伝達時間 に応答する計算手段と よりなる流体流れ検知システム。
8. ８．導管内の流体流れストリームを監視する方法であって、一対の所定の長手方 向に離間した点の間で流れストリームを略斜めに横切る音響信号を２方向に送信 して受信し、信号伝達時間を測定する段階と； 一対の所定の間隔で長手方向に整列した点の間で長手方向に導管を通って音響信 号を送信して受信し、信号伝達時間を測定する段階と； 一対の所定の間隔で周方向に整列した点の間で周方向に導管を通って音響信号を 送信して受信し、信号伝達時間を測定する段階と； 流体の流速、温度及び圧力を決定するために測定された信号伝達時間に応答する 段階と よりなる流体流れストリーム監視方法。
9. ９．前記応答する段階は、流体ストリームの流速及び流れストリーム内の音の速 度を決定するために斜め方向の信号伝達時間に応答する段階と、流れストリーム の圧力を決定するために長手方向及び周方向信号伝達時間に応答する段階と、流 れストリームの温度を決定するために流れストリーム内の音の速度及び流れスト リームの圧力に応答する段階とを含む請求項８記載の方法。
10. １０．導管内の流体流れストリームを監視する方法であって、一対の所定の間隔 で長手方向に整列した点の間で長手方向に導管を通って音響信号を送信して受信 し、信号伝達時間を測定する段階と； 一対の所定の間隔で周方向に整列した点の間で周方向に導管を通って音響信号を 送信して受信し、信号伝達時間を測定する段階と； 該導管内の流体圧力を決定するために測定された信号伝達時間に応答する段階と よりなる流体流れ監視方法。