JPS6046653B2 - 液体中の気泡を検出する方法および装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、収容媒体中の気泡を検出する方法及び装置
に係り、特に液体金属の様に液体中の気泡を検出する方
法及び装置に関するが、これに限定されるものではない
。

本発明の１つの観点によれば、液体中の気泡を検出する
方法に於て、気泡と受信手段との間に相対的に移動が生
じるように構成し、検出すべき気泡の共鳴周波数以上の
周波数のコリメートされた超音波信号を送信手段から気
泡に向けて送出し、そして上記受信手段により受信され
た信号から対称的側波帯を除波し非対称な側波帯を受け
入れて、気泡により拡散されたドップラ信号を検出して
気泡を検出することを特徴とする気泡検出方法が提供さ
れる。

分散されて受信されたドップラ信号が気泡半径に比例す
るピーク振巾のパルス形態でありそして超音波信号に対
する非対称側波帯として現われる様に、ドップラ拡散が
構成されるのが好ましい。

ドップラ拡散が気泡の移動によつて励磁さるのが好まし
い。本発明の別の観点によれば、装置と気泡との間に相
対的な移動が生じるように構成されている液体中の気泡
を検出する装置に於いて、気泡の共鳴周波数以上の周波
数の超音波信号の液体中に送信する手段と、上記超音波
信号に応答して上記気泡により拡散されたドップラ信号
を受信する手段と、対称的側波帯を除去し非対称な側波
帯を受け入れる手段を含み気泡を検出すべく上記受信手
段により受信された上記拡散されたドップラ信号を検出
する手段とを備えた、ことを特徴とする気泡検出装置が
提供される。

本装置は、液体金属である液体の流れの中に気．泡を検
出するのに適用さるのが好ましい。

ドップラ信号は、超音波信号に対する非対称な側波帯し
て現われる様に構成され、そして、検出手段は、非対称
の側波帯、望ましくは過渡的な非対称側波帯を検出する
様に構成される。

検出手段は、気泡の半径に比例したピーク振巾を持つた
出力パルスを与える様に構成されるのが好ましい。

本発明は、高速原子炉の炉冷却回路に用いられる液体金
属中の気泡を検出するという１つの適用・例がある。

流体中のガス気泡は、適当に励起された時は音を発する
という共鳴性がある。

音波の伝搬に対する気泡の影響はその共鳴特性に左右さ
れる。入射された音が気泡の共鳴周波数より相当に小さ
い周波数を持つをのであれば、わずかな音響エネルギが
拡散されるだけであり然して波の位相速度が減少される
。一方、入射された音が共鳴周波数より相当に大きな周
波数を持つ金のであれば、気泡はあたかも内実の球体で
あるかの様に音を拡散する。共鳴周波数に近ずく程、拡
散特性は共鳴の減衰率に左右される。気泡はその共鳴半
径まではか）る入射音の理想的な球状拡散体であり、一
方ノか）る入射音に応じた共鳴自身に於ける拡散は起こ
りそうもなくそして無視できるということが充分に仮定
される。この共鳴半径は、これより小さければ気泡が拡
散断面図を持つのを止めそしてこれより大きければ気泡
の拡散断面積がその物理的・な断面積であるという様な
半径として考えられるものである。共鳴音の波長は、気
泡の物理的な直径よりも数桁大きなものであることに注
意されたい。気泡の共鳴周波数より上の周波数の信号が
気泡゛に送られて気泡がエネルギを拡散する場合は、拡
散された信号を受け取る受信器と気泡との間に相対的な
移動があれば、ドップラ効果が生じる。

か）るドップラ拡散された信号は周波数が若干シフトさ
れ、そして受信器により受信された信号の波帯域に於い
て送信信号に対する非対称成分即ち単１側波帯として表
われ、これに対して送信信号の変調はこの波帯域に対称
的な側波帯即ち２重側波帯の発生する。この波帯域に於
ける全ての対称信号が受信器によつて除波された場合に
は、その出力が気泡の拡散信号に関係付けされる。気泡
からの拡散信号のスペクトルが受信される様に送信信号
の周波数を変えることにより、特定の気泡からの拡散信
号が受信器によつてもはや受信されない時、即ち送信信
号の周波数が気泡の共鳴周波数より小さい時に気泡の大
きさを測定できる。色々な半径の気泡に対する共鳴周波
数の基準表を利用できるので、か）る基準表か気泡の半
径を読み取ることができる。気泡からの拡散されたドッ
プラ信号が単１パルスとして受け取られる様に分析装置
が構成される。か）るパルスのピーク振巾が既知の仕方
で気泡の半径に関係付けされ、そして多数の気泡半径が
前記した様に決定される時に充分正確に校正される。そ
の後、単１周波数の送信信号から受信したパルスのピー
ク振巾の尺度から気泡の半径を決定できる。ドップラ拡
散信号は過渡信号であるから、受信器により受信された
信号から過渡的でない信号を全て除去することによつて
妨害及びノズル信号に対する精巧な弁別を達成できる。
液体中の気泡から受信器によつて受信されたパルスの計
数は送信信号の周波数又はそれ以下の共鳴周波数を持つ
た気泡の計数を与える。

添付図面を参照して本発明を１例として以下に詳細に説
明する。

さて第１図を参照すれば、液体ナトリウム２の流れを含
みそして岩綿またはＭｇＯの様な熱絶縁体３を持つたス
テンレススチールバイブ１やその中央断面で示されてお
り、該バイブはその１方の側には約１５さの傾斜角度で
スチールの送信導波管４を有し、そしてその他方の側に
は対応する傾斜角度でスチールの送信導波管５を有して
いる。

バイブ１から離れた送信導波管４の端には送信トランジ
ユーサ６が配置され、そして送信導波管５の端には受信
トランスジューサ７が同様に配置されている。液体ナト
リウム２に於いて気泡８が導波管４及び５を通り越して
流れる。送信トランスジューサ６及び位相制御手段１１
へ出力を与える様に発振器１０が接続されている。

受信トランスジューサ７から入力を受け、そしてバック
グランドノイズを除去する高域フィルタ１３へ出力を与
える様に受信器１２が接続されている。フィルタ１３及
び位相制御手段１１は受信した信号の波帯域に於ける非
対称の側波帯を検出するために位相検出手段１４に接続
される。この位相検出手段１４は帯域フィルタ１５に供
給される出力を与え、帯域フィルタ１５自身はピーク検
出手段１６に接続され、そして、該手段１６は、パルス
高さに比例した電圧出力を記録紙記録器１７に与える。
作動中、気泡８が各々導波管４及び５を通り越ちて流れ
る状態では、コリメートされた信号（例えば１ＭＨｚ）
が送信トランスジューサ６から送信導波管４を経て液体
ナトリウム２へと送信される。

この信号は液体ナトリウム２によつて伝送され、そして
気泡８があたかも内実の球体であるかの様に、１ＭＨｚ
以下の共鳴周波数を持つたこれらの気泡８によつてドッ
プラ信号が拡散される。バイブ及び液体ナトリウム２を
経て結合された信号、並びにドップラ拡散された信号は
受信導波管５によつて受信され、そして受信トランスジ
ューサ７に案内されて受信器１２に出力が与えられる。
バックグランドノイズ及び他の妨害信号はフィルタ１３
によつて受信器１２の出力から除去されそしてその淵波
された信号は位相検出手段１４に供給される。この位相
検出手段１４に於いては、送信された信号とフィルタ１
３の出力との位相が厳密に同相又は逆相になる様に調整
され、非対称の側波帯（即ちドップラ拡散信号）はこの
位相検出手段１４によつて通過されるが、対称的な側波
帯（例えば送信信号の変調により生じた信号）は除波さ
れる。帯域フィルタ１５は、ピーク検出手段１６へ通過
さるべく非対称側波帯の周波数レンジを更に制限してバ
ックグランドノイズを更に減少しそしてその後パルスが
記録紙記録器１７に表示される。記録器１７に示された
パルスの高さは気泡８の半径の尺度として直接用いるこ
とができ、パルスは、前記した様に送信信号のスキャン
を周波数レンジ全体に亘つてなす様に構成することによ
つて装置が校正されたことを示す。出力の安定性を改善
するため、パルス状のドップラ信号から生じる過渡的な
非対称側波帯しかピーク検出手段１６に通過しない様に
、本装置は第２図に示す如くに構成され、これについて
以下に説明する。第２図に於いては、高域フィルタ１３
からの出力を受け取る様に構成された周波数変換器２０
に発振器１０が接続される。

この周波数変換器２０身は、側波帯の対称性を変化する
ことなく安定性を改善するためフィルタ１３から受けた
信号の周波数を減少し（例えば１ＭＨｚから４ＫＨｚ）
、そして振巾りミッタ２１及び基準発振器２２へ並列出
力を与える。振巾りミッタ２１は全ての信号がそれら・
の位相を変えることなく同じ振巾を持つ様にし、その出
力は位相検出手段１４の１方の入力ターミナルに直ちに
供給される。基準発振器２２はこれが受け取つた出力の
周波数を平均化し、そして位相検出手段１４の他方の入
力ターミナルに接続さノれた位相制御手段１１に出力を
与える前に或る遅延を入れる。振巾りミッタ２１及び基
準発振器２２が共に周波数変換器２０からの出力によつ
て作動される時は、基準発振器２２によつて遅延が入れ
られるために過渡信号のみが検出され、対称的及び非対
称的な一致信号は除波される。第１図の構成に於ける様
に、位相検出手段１４からの出力は帯域フィルタ１５へ
通過され、そしてピーク検出手段１６へ通過されるが、
最後は波高分析器２３へ送られる。第２図の装置の感度
は、気泡の相対速度の関数であり、相対速度が大きい程
、拡散された過渡的な非対称信号が検出される見込みが
大きく、一方、第１図の装置は気泡の相対速度には実質
的に無関係であるということが明らかであろう。

導波管４及び５は、バイブ１と一体的になる様に加工ま
たは溶接されるのが望ましく、そしてコリメートされた
信号を送受信する様に配置されている。導波管４及び５
はバイブの軸に対して別の角度例えば約３００までの角
度で配置されてもよく、そしてそれらの長手方向軸が気
泡を検出すべきバイブ１内の或る点に収斂するならば導
波管４及び５は同じ平面内にある必要はない。コリメー
トされた信号を用いることにより、気泡が導波管４及び
５の軸の交点にある間に、ドップラ信号は，その巾が短
いために一定周波数信号として現われる。第２図の周波
数変換器２０は第２ａ図に示した回路によつて設けられ
、これについて説明する。第２ａ図に於いては、高域フ
ィルタ１３（図示せＪず）からの出力がＦＨ＋Ｆｄによ
つて示されており、ここでＦＨは結合された信号であり
、 Ｆｄはドップラ信号である。

この出力は２つの並列接続されたアナログ乗算！器各々
３０及び３１の１方に供給され、送信発振器１０からの
出力が他方のアナログ乗算器３１に接続されそしてＦＨ
で示されている。

４ＫＨｚ基準発振器３２が各乗算器３０，３１へ並列接
続され、然して直角位相ユニット３３が乗算器３０への
接こ続部に直列接続されて直角位相変化を与える。

乗算器３０及び３１からの出力は演算増巾器３４に接続
され、別の直角位相ユニット３３が乗算器３０と演算増
巾器３４との間に挿入されて、別の直角位相変化を与え
る。演算増巾器３４からの出力１は混合された信号ＦＨ
−４ＫＨｚ及びＦｄ−４ＫＨｚを含んでおり、そして乗
算器３５へ接続される。この乗算器３５はフィルタ１３
からの出力を入力として受け取り、そして乗算器３５か
らの出力は基準発振器３２の信号及びドップラ信号、即
４ＫＨｚ＋Ｆｄを表わしている。使用される基準信号は
方形波である必要はなく、これが位相制御手段１１の選
択を決定する。

例１第１図の装置は次の様な特定の装置又は設計を用い
て構成される。

品目 トランジユーサ６，７一鉛ジルコニウムチタネー
トピエゾ電気トランスジ
ユーサニニ―゛！７。

２，３］−″二″，″，：′．―こπ―゛
ＢｒＯＯｋｄｅａｌ） 低ノイズ
増巾器 型式９４５２ 発振器１０−ウエーブテツク・ウエー ブホーム（ＷａｖｅｔｅｋＷａ
ｖｅｆＯｒｍ） 発振器 型式１
３４ 位相制御手段１１−オーテツク・プロツクデ
イオール 移相器
型式９４２１ 位相検出手段１４−オーテツク・ブ陥ツクデ
イール 位相検出器型
式９４１２Ａ基準と信号との役割が使
用中逆になる様接続した帯域フィルタ１５−Ｂ３ｒ
ｒ＆ＳｔｒＯｕｄ活性フィルタ 型
式ＥＦ２ ピーク検出器１６一参考として引用した Ｂｕｒｒ−ＢｒＯｗｎＩｎｃの
′４Ａｐｐ１１ｃａｔｉ０ｎｓ０ｆ０
ｐｅｒａｔｉ０ｎａ１ＡｍｐＩｉｆｉｅｒｓ一′Ｔｌｌ
ｆｒｄＧｅｎｅｒａｔｉＯｎ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ３３の第１３２頁 及びその次の頁に従つて
構成されたもの記録紙記録器１７−デバイ
スレコーダ 型式ＭＲ２ 例■ 第２図の装置は次の様な装置を用いて構成される。

振巾りミッタ２１−オーテツク・プロツクデイー
ノレ 位相検出器 形式９４１２Ａ 位相検出手段１４として用い られたもの 基準発振器２２−シグネテイツクス 位相固定ループ 型式５６１Ｂ 波高分析器２３−データラボ ＭｉｃｒＯ４ 品目（１０乃至１６）に対して用いられる装置は第１図
の装置ピ用いられたものと同じである。

第２ａ図に示された第２図の周波数変換器２０は次の装
置によつて作られる。アナログ乗算器３０，−モートロ
ーラ乗算器３１，３５型式ＭＣｌ４９５Ｌ．演算増巾器
３４−シグネテイツク微分ビデ オ増
巾器 型式５７３３基準発振器３２−シグネテイツクス
の演算 増巾器、 型式５５５３を用
いた一般のＷｉｅｎ−
Ｂｒｉｄｇｅ発振器 直角位相ユニット３３−シグネテイツクスの微分
ビデオ増巾蕎 型式５７３３を用いた一般
の移相器、 或いは又、基準発振器３
２とアナログ乗算器３０との間に接続された直角 位相ユニット３３はジグ
ネテイクスの演算増巾器
型式５５５８である。

移相回路及びＷｉｎｅｎ−Ｂｒｉｄｇｅ発振回路の例も
、Ｂｕｒｒ−ＢｒＯｗｎＩｎｃ．の前記６６Ａｐｐ１１
ｃａｔｉ０ｎｓ０ｆ０ｐｅｒａｔｉ０ｎａＩＡｐ１１ｆ
１ｅｒｓ−ＴｈｉｒｄＧｅｎｅｒａｔｉＯｎＴｅｃｈｎ
ｉｑｕｅｓ′１に記載されている。本発明は、気泡が液
体金属の様な敵対環境に於いて検出さるべきであり且つ
導波管をこの液体に直接接触できる様な適用例に効果が
あるということが明らかであろう。本発明は、受信器を
移動することによつて受信器と気泡との間に相対的移動
が与えられる様な適用例にも適用できる。

液体金属中の気泡の検出に関して本発明を説明したが、
例えば、温度及び／又は腐食の様な他の敵対環境に於け
る液体中の気泡の検出にも本発明を適用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、液体ナトリウムの流れの中で気泡を検出する
ための装置の概略的な構成を示した図、・第２図は、第
１図の■一■線より下の構成体の変型であり、過渡信号
を検出する構成体の略図、そして第２ａ図は、第２図の
装置に用いられた周波数変換器の略図てある。 １・・・・・・バイブ、２・・・・・・液体ナトリウム
、３・・・・−熱絶縁体、４，５・・・・・・導波管、
６，７・・・・・・トランスジューサ、８・・・・・・
気泡、１０・・・・・発振器、１１・・・位相制御手段
、１２・・・・・受信器、１３・・・・・・高域フィル
タ、１４・・・・・・位相検出手段、１５・・・・・・
帯域フィルタ、１６・・・・・ゼーク検出手段、１７・
・）記録紙記録器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 装置と気泡との間に相対的な移動が生じるように構
   成されている液体中の気泡を検出する装置に於いて、検
   出さるべき気泡の共鳴周波数以上の周波数のコリメート
   された超音波信号の液体中に送信する手段と、上記超音
   波信号に応答して液体中に存在し上記超音波信号の周波
   数以下の共鳴周波数を有する気泡により拡散されたドッ
   プラ信号を受信する手段と、対称的な側波帯を除波し非
   対称な側波帯を受入れる手段を含み気泡を検出すべく上
   記受信手段により受信された上記拡散されたドップラ信
   号を検出する手段とを備えた、ことを特徴とする気泡検
   出装置。 ２ 拡散されたドップラ信号を検出するための上記手段
   は、過渡的でない非対称側波帯を除波して過渡的な非対
   称側波帯を受け入れるように適合せしめられた、特許請
   求の範囲第１項記載の装置。 ３ 上記受信手段により受信された信号中の側波帯の対
   称性を変えることなく、信号の周波数を減少させるため
   の手段を有している、特許請求の範囲第２項記載の装置
   。 ４ 液体中の気泡を検出する方法に於いて、上記気泡と
   受信手段との間に相対的な移動が生じるような構成し、
   検出すべき上記気泡の共鳴周波数量上の周波数のコリメ
   ートされた超音波信号を送信手段から上記気泡に向けて
   送信し、上記気泡により拡散されたドップラ信号を検出
   するために上記受信手段により受信された信号から対称
   的側波帯を除波し非対称な側波帯を受け入れ、それによ
   つて気泡を検出する、ことを特徴とする気泡検出方法。 ５ それ以下の周波数ではもはやドップラ信号が上記気
   泡によつて拡散されないような上記気泡の共鳴周波数を
   実質的に同一の最小周波数まで上記超音波信号の周波数
   を下げることによつて上記拡散されたドップラ信号を上
   記気泡の大きさに関係付けし、そして気泡の大きさに関
   して拡散されたドップラ信号を校正するため、上記共鳴
   周波数を持つた気泡の大きさを上記拡散されたドップラ
   信号のピーク振巾に関係付けする、特許請求の範囲第４
   項記載の方法。６ 上記超音波信号の周波数以下の共鳴
   周波数を持つた気泡の計数を与えるために、上記信号手
   段により受信されたドップラ信号を計数する、特許請求
   の範囲第４項記載の方法。