JPH08271322A - 超音波液位測定法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 配管内の液体の温度が経時的に大きく変化を
するような場合にも確実に安定した液位の測定が行える
超音波液位測定法を得る。 【構成】 測定対象の横設管内の液体の熱膨張係数に基
づいて、横設管内の液位に対する温度補正係数を予め求
めておき、管内の液体に対して管外の下方から上方へ向
けて発信される超音波パルスが液体の液面で反射して得
られる反射超音波パルスを受信し、反射超音波パルスの
受信に要した時間に基づいて測定された液体の液位に対
して、液位の測定ごとに、液位の測定時の液体の温度を
測定し、測定された温度と補正係数に基づいて、液位の
自動補正を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば蒸気発生器等の
横設管内の液体の液位を測定する超音波液位測定法に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば蒸気発生器などの配管内を流れる
液体の液位を測定するために、通常、パルス反射法によ
る超音波測定技術が使用される。測定のための超音波パ
ルスを発信すると共に受信する超音波センサは、その受
発信部を上方に向けて、横設管の略最下面に固定されて
いる。よって、超音波パルスは、超音波センサの受発信
部から液面のある上方へ向けて発信される（このパルス
を基準送信超音波パルスと呼ぶ）。基準送信超音波パル
スは、液面で反射した後、反射超音波パルス（受信エコ
ー）として超音波センサの受発信部にて受信される。

【０００３】パルス反射法による超音波測定技術では、
基準送信超音波パルスが発信されてから反射超音波パル
スの受信エコーが戻ってくるまでに要する時間（以降、
受信時間と呼ぶ。）を測定し、この受信時間に対して超
音波パルスの伝搬速度をパラメータとして用いることに
よって、超音波パルスが液体中を伝搬する距離に換算さ
れる（以降、距離換算と呼ぶ。）。更に、超音波パルス
の伝搬距離と液体の液位との関係は測定ごとに定められ
ているため、伝搬距離を用いて液体の液位が算出される
（以降、液位算出と呼ぶ）。

【０００４】以上の受信時間の測定、距離換算、液位算
出などの処理は、超音波センサを含む測定器にて行われ
る。一般に、超音波センサを含む測定器は、液位の測定
を開始する前に初期校正が行われる必要がある。例え
ば、距離換算を行う際に用いられるパラメータとしての
超音波パルスの伝搬速度が正確な値でなければ、距離換
算の結果得られる超音波パルスの伝搬距離は不正確とな
り、正確な液位の測定結果が得られないこととなる。

【０００５】従来の初期校正の方法は、例えば液体を予
め既知の液位で収容した校正用配管を用いて行うか、あ
るいは、管内の液位の測定を開始する際に測定対象物の
温度を測定し、この温度を基準として超音波パルスの伝
搬速度に基づく温度補正係数を決定し、実際の管内の液
位の測定では、超音波パルスにより測定された受信時間
から距離換算および液位算出を経て算出される液体の液
位に対して、上記測定開始時の温度で決定された温度補
正係数により補正をかけていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、測定対
象物（液体）の温度が、測定開始後、経時的に変化する
場合、校正用配管による初期校正や、常に測定開始時の
温度で決定した温度補正係数を用いて補正を行う上記従
来の方法では、測定中の測定対象物の温度が測定開始時
とは異なる状態になると、初期校正や補正を行っても正
確な水位測定を行うことはできない。

【０００７】このような問題は、測定対象物の温度変化
がある程度小さい範囲内であれば、さほど問題とはなら
ないが、大きく温度変化する場合には、初期校正結果や
温度補正係数に大きなずれが生じ、校正や補正の意味が
ほとんどなくなる。よって、実際の配管内の液位と、超
音波センサによる測定液位値とに大きな誤差が出てしま
い、誤った表示を行ってしまうことになる。

【０００８】通常、超音波パルスを含む測定器の温度に
対する安定性は、２０℃の環境温度における標準状態に
対し、温度を±２０℃変化させた場合の時間軸上の移動
量（％）により定められている。

【０００９】これに対し、例えば、原子力施設における
主要配管である主蒸気管（管径約９００ｍｍ、肉厚７０
〜１００ｍｍ）内の水位を測定する場合には、管内を流
れる水の温度は、運転時には約３００℃以上まで温度上
昇し、また、定検時でも、約８０℃〜約３０℃の経時的
な大きな温度変化がある。

【００１０】このように測定対象物の温度が大きく変化
し、正確な測定が行えなくなった時には、温度変化によ
る測定誤差を修正することが必要となる。このため、超
音波パルスによる水位測定を停止あるいは中断して、再
度、超音波センサ等の測定器に対してそのときの温度に
対応した初期校正や補正係数の再決定を行なわなければ
ならない。

【００１１】本発明は、かかる問題に鑑みてなされたも
ので、配管内の液体の温度が経時的に大きく変化するよ
うな場合にも確実に安定した液位の測定が行える超音波
液位測定法を得ることを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本願請求項１に記載した発明では、横設管内の液体
に対して前記管外の下方から上方へ向けて発信され、前
記液体の液面で反射される超音波パルスを受信し、該超
音波パルスの受信に要した時間に基づいて前記液体の液
位を測定する超音波液位測定法において、測定対象の液
体における前記超音波パルスの伝搬速度に基づく補正係
数を、前記液体の種々の温度毎に予め求めておき、前記
液位の測定毎に、前記液位の測定時の前記液体の温度を
測定し、測定された温度と前記補正係数に基づいて、測
定液位の自動補正を行うことを特徴とする超音波液位測
定法を提供するものである。

【００１３】

【作用】本発明による超音波液位測定法では、横設管内
の液体に対して管外の下方から上方へ向けて発信され、
液体の液面で反射される反射超音波パルスの受信エコー
を検出し、この反射超音波パルスの受信エコーの到来に
要した時間（以降、受信時間と略す。）に基づいて液位
を測定するに際して、この液位の測定時における液体の
温度（以降、測定時温度と略す。）に基づく自動補正が
リアルタイムで行われる。

【００１４】即ち、液位の測定を開始するに先だって、
まず、測定対象の液体における超音波パルスの伝搬速度
に基づく補正係数を、液体の予測される温度変化範囲に
亙って種々の温度毎に予め求めておく。液位測定の際に
は、受信時間の測定と同時に、液体の温度の測定も行わ
れる。そして、この測定時温度に対応する補正係数が予
め求められていた中から選ばれ、この選ばれた補正係数
に基づいて、測定液位の自動補正が行われる。

【００１５】以上のように、本発明では、液位の測定時
における液体の温度に基づく自動補正が、液位の測定中
にリアルタイムで行われる。従って、測定対象である液
体の温度が経時的に大きく変化する場合でも、温度変化
に対応して補正係数が選ばれるので、横設管内の実際の
液位と測定される液位との誤差が非常に小さくなり、確
実に安定した液位測定が行える。

【００１６】ここで、本発明の超音波液位測定法におい
て、上記検出された受信時間は、まず、超音波パルスの
伝搬速度をパラメーターとして用いて超音波パルスの伝
搬距離に換算される（以降、距離換算と呼ぶ。）。この
伝搬距離と液体の液位との関係は、測定毎に定められて
いるので、この関係を用いれば伝搬距離から液位が算出
される。

【００１７】上記受信時間に基づく液位の算出に際し
て、リアルタイムで行われる測定時温度に基づく自動補
正は、例えば次のように行われる。即ち、液位の測定前
に、例えばある基準温度に対応する伝搬速度とある測定
時温度に対応する伝搬速度との比に相当する無次元量
を、補正係数として、予測される測定時温度の変化範囲
に亙る種々の温度毎に予め求めておく。上記距離換算の
際のパラメータに用いられる超音波パルスの伝搬速度に
は、ある基準温度に対応する伝搬速度を用いる。そし
て、得られた伝搬距離から算出された液位に対して、予
め求められていた中から測定時温度に対応して選ばれた
補正係数を用いて自動補正をかける。

【００１８】このように、ある基準温度に対応して算出
された液位に対して、測定時温度に対応した補正係数を
用いて自動補正をかけることによって、液位の測定時に
おける液体の温度に基づく補正が行われる。

【００１９】また、次のような上記とは異なる方法で、
上記受信時間に基づく液位の算出に際して自動補正を行
ってもよい。即ち、液位の測定前に、測定対象の液体に
おける超音波パルスの伝搬速度自体を補正係数として種
々の温度毎に予め求めておく。この場合には、上記距離
換算を行う際のパラメータとして用いられる超音波パル
スの伝搬速度には、予め求められていた中から測定時温
度に対応して選ばれた補正係数、即ち超音波パルスの補
正された伝搬速度を用いる。そして、得られた伝搬距離
から液位を算出する。

【００２０】このように、測定時温度に対応した超音波
パルスの伝搬速度を用いて距離換算を行う方法でも、前
述の補正方法と同様に、液位の測定時における液体の温
度に基づく補正が可能である。

【００２１】

【実施例】以下に、実施例を通じ本発明を更に詳しく説
明する。図１には、本発明に係る超音波液位測定法の一
実施例を説明するための液位測定装置（１〜９）、およ
び蒸気発生器などの横設管１０内の測定対象である水１
１などの一例を示した概略図が示されている。通常、蒸
気発生器などの横設配管１０には鋳造材などの金属材が
使用されており、その外周面は断熱材（不図示）で覆わ
れている。

【００２２】配管１０の内部には、水１１が適当な水位
で流れており、その水位を測定するために超音波パルス
を発信すると共に受信する超音波センサ３は、その受発
信部を上方に向けて、横設管１０の略最下面に固定され
ている。超音波センサ３の配管１０への固定は、例えば
ベルト等の治具を使用して行われる。

【００２３】配管１０と超音波センサ３の受発信面との
接触面には、空気を遮断するため、油脂材あるいはシリ
コン系の接触媒体を介する方が望ましい。この接触媒体
の材質は、配管１０内あるいは環境の温度に適合するも
のが選定される。ここで、超音波センサ３の発信周波数
としては、配管１０の材質にあったものが選定される。
また、超音波センサ３の受発信部の断面積は、配管１０
の傾斜度および配管径に適合する大きさとする。以上の
装置において、測定可能な水温の限界は、超音波センサ
の耐久温度となる。

【００２４】超音波センサ３の受発信部からは、水面１
１ａのある上方へ向けて超音波パルスが発信される（こ
のパルスを基準送信超音波パルスと呼ぶ）。基準送信超
音波パルスは配管１０内の水面１１ａで反射し、その反
射超音波パルスの受信エコーが超音波センサ３の受発信
部にて受信される。ここで、反射超音波パルスの受信エ
コーは、ある閾値以上の振幅値を有するものである。

【００２５】受信エコーは電気信号として、信号ケーブ
ル７を介して、超音波測定装置４に送られる。この超音
波測定装置４では、超音波センサ３からの発信信号およ
び受信信号に対して解析と演算などを行い、配管１０内
の水位を検出する。ここで、超音波センサ１からの発信
信号および受信信号の受発信状況は、オシロスコープ１
２などによって確認するようにしても構わない。超音波
センサ３などの測定器は、後述する方法により予め初期
校正がなされたものであり、測定系の時間軸直線性が校
正されている。

【００２６】以上の構成により、配管１０内の水位の測
定は、例えば次のような方法で行われる。まず、超音波
センサ３の受発信部から水面１１ａのある上方へ向けて
発信される基準送信超音波パルスの発信時刻を基準時刻
として超音波測定装置４に記憶しておく。次いで、水面
１１ａで反射した反射超音波パルスに基づいて超音波セ
ンサ３の受発信部において受信される受信エコーのう
ち、一番最初の受信エコーの受信時刻を超音波測定装置
４に記憶させる。超音波測定装置４では、受信エコーの
到来に要する時間として、基準時刻から受信時刻に亙る
受信時間δＴを算出する。

【００２７】次いで、超音波測定装置４では、受信時間
δＴに対して超音波パルスの伝搬速度をパラメータとし
て用いることによって、受信時間δＴを超音波パルスが
水中を伝搬する距離に換算する。

【００２８】上記超音波パルスの伝搬距離と配管内の水
位との関係は、本実施例の場合、次のように定められて
いる。即ち、本実施例で受信する一番最初に到来する受
信エコーは、通常、水面１１ａでの反射を一回経た反射
超音波パルスによるものである。よって、その受信時間
δＴの間に超音波パルスが伝搬した距離は、超音波セン
サ３の受発信部から水面１１ａまでの距離（配管の管肉
厚と水位の合計）のおよそ２倍に相当する。

【００２９】従って、超音波測定装置４では、上記関係
を用いて伝搬距離から水位を算出する。この算出された
水位信号は、信号ケーブル９を介して演算処理装置５に
送られる。

【００３０】一方、配管１０内を流れる水１１の温度を
感知するための温度センサ１は、例えばベルト等の治具
（不図示）を使用して、横設管１０の下面の超音波セン
サ３近傍に固定されている。温度センサ１からの信号
は、信号ケーブル６を介して温度測定装置２に送られ
る。この温度測定装置２では、温度センサ１からの信号
を処理して水１１の温度（水温）を算出し、その結果
（水温信号）を信号ケーブル８を介して演算処理装置５
に送る。温度測定に使用する温度センサ１は、測定対象
物の温度に適合したものを選定する。

【００３１】以上の構成で、演算処理装置５には、超音
波測定装置４からの水位信号と、温度測定装置２からの
水温信号とが送られていることになる。更に、演算処理
装置５には、水位測定が行われる前に予め求めておいた
種々の温度に対する温度補正係数がメモリーテーブルに
校正表データとして記憶されている（詳細は後述す
る）。

【００３２】従って、演算処理装置５では、まず水温信
号を上記校正表に対して参照し、そのときの水温に対応
する温度補正係数を校正表データの中から選択する。次
いで、選択された温度補正係数に基づいて、水位信号に
対して補正処理を行う。その結果、測定時温度に対応す
る温度補正係数で補正された水位値が演算処置装置５か
ら得られ、ディスプレイ装置や印字装置などの図示しな
い出力装置によって取り出される。

【００３３】本実施例の超音波液位測定法では、配管１
０内の水位の測定を開始する前に、超音波センサ３を含
む測定器全体に対して、ある基準温度における初期校正
を行っておく。その後、水中における超音波パルスの伝
搬速度に基づく温度補正係数を、予測される温度変化範
囲に亙る種々の温度毎に予め求めておく。各温度に対応
した超音波パルスの伝搬速度に基づく温度補正係数は、
校正表データとして演算処理装置５に記憶される。

【００３４】初期校正は、一般に超音波センサ３を含む
測定器が有するパラメータ（例えば、距離換算における
超音波パルスの伝搬速度など）の校正のために行われ
る。本実施例では、例えば水を予め既知の水位で収容し
た校正用配管を用いて、校正用配管内の水温を基準温度
として、この基準温度における超音波パルスの伝搬速度
に基づく温度補正係数を決定する。

【００３５】即ち、その校正用配管に超音波センサ３等
の測定器を設置して、上述の水位測定時と同様に基準送
信超音波パルスを送信して反射超音波パルスの受信エコ
ーの受信時間を測定する。そして、上述と同様の手順に
より、受信時間から水位が算出される（これを測定水位
と呼ぶ。）。

【００３６】この測定水位は、校正用配管内の既知の水
位とは一般に異なっているものである。そして、この測
定水位と校正用配管内水位とのズレに基づいて、基準温
度に対応する超音波パルスの伝搬速度に基づいた温度補
正係数が決定される。このようにして、超音波センサ３
と超音波測定装置４などとに対して基準温度に基づいた
初期校正がなされる。

【００３７】次いで、校正表データの作成が次の様に行
われる。例えば、初期校正に用いた校正用配管内の水温
を変化させることによって、基準温度とは異なる各温度
に対しても、同様に受信時間を測定して水位を算出す
る。ここで、超音波センサ３を含む測定器は、初期校正
済の状態で用いる。各温度に対して算出された水位は、
やはり校正用配管内水位とは異なっており、それぞれの
ズレに基づいて、各温度に対応する超音波パルスの伝搬
速度に基づいた温度補正係数が決定される。

【００３８】この各温度に対する温度補正係数は、例え
ば、基準温度に対応する伝搬速度と各温度に対応する伝
搬速度との比に相当する無次元量である。このようにし
て、水中における超音波パルスの伝搬速度に基づく温度
補正係数が、予測される温度変化範囲に亙る種々の温度
毎に予め求められ、校正表データとして演算処理装置５
に記憶される。

【００３９】以上で水位測定前の準備が終了し、まず、
超音波センサ３が基準送信超音波パルスを発信すると共
に、その発信信号を信号ケーブル７を介して超音波測定
装置４に送ることによって、配管１０内の水位の測定が
開始される。上述したように、超音波測定装置４では、
算出された受信時間δＴに対して、基準温度に対応する
伝搬速度をパラメータとして用いて距離換算を行い、得
られた伝搬距離から水位を算出する。この水位信号は演
算処理装置５に送られる。

【００４０】また同時に、水位測定時の水温が温度セン
サ１および温度測定装置２により測定され、この水温信
号は演算処理装置５に送られる。演算処理装置５では、
まず水温信号に基づいて上記校正表データから、水温に
対応する温度補正係数を選択する。次いで、選ばれた温
度補正係数に基づいて、水位信号に対して補正処理を行
う。このようにして、演算処置装置５では、測定時の温
度にリアルタイムで対応した補正処理が行われる。

【００４１】即ち、本実施例の液位測定法では、水位測
定を行う度に、各水位測定時の水の温度を測定し、測定
された温度と予め求められている温度補正係数に基づい
て、測定された水位の補正を行う。つまり、測定対象で
ある水の温度が経時的に大きく変化しても、絶えず自動
的にその時点の温度に対する補正を加えて水位の測定を
行う。従って、配管内の実際の水位と測定される水位と
の誤差が非常に小さくなり、確実に安定した水位測定が
行える。

【００４２】なお、超音波パルスが配管１０の管肉部を
通過するのに要する時間は、その音速が大きいため短
い。また、配管１０の管肉部の温度に対する変化は小さ
い。このため、この点を考慮した温度補正は行わなくて
もよい。従って、予め反射超音波パルスの受信エコーの
到来に要する時間から、管肉部通過時間を減算した時間
に対して温度補正を行う事としてもよい。

【００４３】また、超音波センサ３および超音波測定装
置４などによる配管１０内の水位の測定は、上述した方
法に限らない。例えば、超音波センサ３の受発信部から
水面１１ａのある上方へ向けて発信される基準送信超音
波パルスの発信時刻と、水面１１ａで二回以上反射して
超音波センサ３で受信される反射超音波パルスの受信時
刻とから時間δＴ１を算出し、その時間δＴ１に応じて
距離換算することによって、管１０内の水位を測定して
も構わない。更に、水面１１ａで反射した反射超音波パ
ルスの複数の受信エコーを用いても構わない。

【００４４】更にまた、基準発信超音波パルスの発信時
刻から反射超音波パルスの受信時刻に亙る時間に基づい
て距離換算を行うのではなく、複数の反射超音波パルス
（水面における反射回数の異なるもの）の各受信エコー
の到来に要した時間の相対的時間差を検出して、この相
対的時間差に基づいて距離換算を行っても構わない。何
れにしても、水位測定の際に、用いるパルスの数が多い
ほど、水位測定の精度が向上することはいうまでもな
い。

【００４５】なお、上記本実施例では、基準温度に対応
して算出された液位に対して、測定時温度に対応した補
正係数を用いて補正をかけることによって、液位の測定
時における液体の温度に基づく自動補正を行ったが、本
発明はこれに限るものではない。例えば、次のような方
法で、上記受信時間に基づく液位の算出に際して自動補
正を行ってもよい。

【００４６】即ち、液位の測定前に、上述の校正表デー
タ作成と同様の方法にて、測定対象の液体における超音
波パルスの伝搬速度を種々の測定時温度毎に予め求めて
おき、各温度に対応する超音波パルスの伝搬速度自体を
温度補正係数として校正表データを作成し、演算処理装
置５に記憶しておく。

【００４７】この場合の水位測定において、超音波測定
装置４では受信時間δＴに対する距離換算は行わず、受
信時間δＴに基づく時間信号を演算処理装置５に送る。
演算処置装置５では、温度測定装置２より送られた水温
信号に基づいて上記校正表データから、水温に対応する
温度補正係数、即ち超音波パルスの伝搬速度を選択す
る。次いで、選ばれた水温に対応する伝搬速度をパラメ
ータに用いて受信時間δＴに対し距離換算を行う。そし
て、得られた伝搬距離から水位を算出する。

【００４８】このように、測定時温度に対応した超音波
パルスの伝搬速度を用いて距離換算を行う方法でも、前
述の補正方法と同様に、液位の測定時における液体の温
度に基づく補正が行われる。

【００４９】

【発明の効果】以上説明したとおり、本発明の超音波液
位測定法によれば、測定対象である液体の温度が経時的
に大きく変化する場合でも、液位測定ごとに、各液位測
定時の液体の温度を測定し、測定された温度と予め求め
られている温度補正係数に基づいて、測定された液位に
対して補正を行うので、横設管内の実際の液位と測定さ
れる液位との誤差が非常に小さくなり、確実に安定した
液位測定が行える。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る超音波液位測定法の一実施例を説
明するための、装置および測定対象である横設配管内の
液体を示す断面図である。

【符号の説明】

１：温度センサ ２：温度測定装置 ３：超音波センサ ４：超音波測定装置 ５：演算処理装置 ６、７、８、９：信号ケーブル １０：横設配管 １１：液体 １２：オシロスコープ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 横設管内の液体に対して前記管外の下方
   から上方へ向けて発信され、前記液体の液面で反射され
   る超音波パルスを受信し、該超音波パルスの受信に要し
   た時間に基づいて前記液体の液位を測定する超音波液位
   測定法において、 測定対象の液体における前記超音波パルスの伝搬速度に
   基づく補正係数を、前記液体の種々の温度毎に予め求め
   ておき、 前記液位の測定毎に、前記液位の測定時の前記液体の温
   度を測定し、測定された温度と前記補正係数に基づい
   て、測定液位の自動補正を行うことを特徴とする超音波
   液位測定法。