WO2013114752A1 - 液面レベル計測装置及び方法 - Google Patents

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山下　善弘
夕佳 高田
和美 渡部
落合　誠
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株式会社東芝
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    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/296—Acoustic waves
    • G01F23/2962—Measuring transit time of reflected waves
    • G—PHYSICS
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    • G01F23/296—Acoustic waves
    • G01F23/2968—Transducers specially adapted for acoustic level indicators

Definitions

  • the present invention relates to a liquid level measurement technique using ultrasonic waves.
  • a technique for measuring the liquid level of a vessel of a nuclear power plant and a thermal chemical plant by ultrasonic waves is known.
  • an ultrasonic transmitter / receiver is provided above the liquid surface, and the transmitted ultrasonic wave propagates through the gas phase, reflects off the liquid surface, and then propagates again through the gas phase until it is received.
  • There are methods for deriving the surface level for example, Patent Documents 1 to 3).
  • a waveguide is erected vertically from the bottom of the liquid container, and an ultrasonic transmitter / receiver is provided inside the lower end of the waveguide.
  • the transmitted ultrasonic wave propagates upward in the liquid phase inside the waveguide.
  • Patent Document 4 there is a method of deriving the liquid level from the round trip time from reflection to the liquid surface, propagation downward and reception.
  • Patent Document 5 there is a system in which a waveguide having a vibrator installed at the upper end is partially immersed in a liquid and the liquid level is derived from the resonance characteristics of the waveguide rod.
  • Patent Documents 1 to 3 described above cannot be measured because the measurement error increases due to the influence of temperature fluctuations between the gas phases, and the reflected waves are difficult to return due to liquid surface ripples, bubbles, floating substances, etc. There was a problem of falling.
  • the technique of Patent Document 4 has a problem that there are many design restrictions when considering consistency with other peripheral devices.
  • the technique of Patent Document 5 has a problem that it is difficult to analyze because the resonance characteristics of the waveguide rod, which is a base for guiding the liquid level, greatly depend on various other influencing factors.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and has an object to provide a technique that is highly resistant to disturbance and that measures the liquid level of the liquid contained in the container with a simple configuration with high accuracy.
  • A The block diagram which shows embodiment of a vibration propagation member
  • B The block diagram which shows other embodiment of a vibration propagation member.
  • the liquid level measuring device 10 includes a vibration propagation member 12 immersed in the liquid 32 so that a part of the liquid level 31 is exposed, and a longitudinal direction of the vibration propagation member 12 provided at an end of the vibration propagation member 12. And the signal processing unit 20 for guiding the liquid level based on the propagation time of the vibration 33 reflected by the liquid surface 31.
  • the vibration propagation member 12 is composed of a pair (two sheets) of plate-like bodies that sandwich both ends of the piezoelectric element 11 in FIG. Thereby, the vibration 33 excited by the piezoelectric element 11 can be efficiently used for detecting the liquid level.
  • the form of the vibration propagation member 12 is not particularly limited, and may be configured by a single plate-like body. That is, if the vibration propagation member 12 has a function of immersing in the liquid 32 such that a part of the longitudinal shape is exposed from the liquid surface 31 and propagating the vibration 33 output from the piezoelectric element 11 in the longitudinal direction, the vibration propagation member 12 is appropriately used. Adopted.
  • the L-mode (Longitudinal-mode) guide wave 33 ⁇ / b> A has a characteristic of propagating over a long distance in the longitudinal direction of the vibration propagation member 12.
  • a part of the guide wave 33A is reflected based on the difference in acoustic impedance at the liquid surface 31 (interface between the gas and the liquid 32) to become an echo wave 33B propagating in the reverse direction through the vibration propagation member 12, and the piezoelectric element. 11 is reached.
  • the piezoelectric element 11 to which the echo wave 33B is input outputs a response signal 27 obtained by converting the vibration energy into electric energy.
  • the signal processing unit 20 obtains a propagation time t for the vibration 33 to reciprocate the exposed portion of the vibration propagation member 12 from the time difference between the output electric pulse signal 26 and the input response signal 27, and the liquid time is determined based on the propagation time t. Guide plane level.
  • the signal processing unit 20 includes a signal transmission unit 21 that transmits an electric pulse signal 26 to the piezoelectric element 11, a signal reception unit 22 that receives a response signal 27 from the piezoelectric element 11, an output electric pulse signal 26, and an input response signal.
  • the propagation time deriving unit 23 for deriving the propagation time t of the vibration 33 from the time difference of 27, the liquid level calculating unit 24 for calculating the liquid level based on the propagation time t, and information on the calculated liquid level are externally provided.
  • a transmission unit 25 for wireless transmission.
  • the graph of FIG. 2 shows the velocity dispersion curve of the guide wave.
  • L0, L1, and L2 correspond to the fundamental vibration component of the L-mode guide wave and a harmonic component having a frequency that is an integral multiple of the fundamental vibration component
  • S0, S1, and S2 are the fundamental vibrations of the S-mode guide wave. It corresponds to a harmonic component having a component and an integral multiple of the frequency.
  • the horizontal axis parameter of the velocity dispersion curve is represented by the product of the frequency of the propagating guide wave, the shape factor of the vibration propagation member 12, and its elastic coefficient.
  • the guide wave 33A propagating through the vibration propagation member 12 and the propagation velocity v of the echo wave 33B are derived based on FIG. be able to.
  • the liquid level calculation unit 24 can handle this propagation velocity v as a device constant, and substitutes the propagation time t acquired by the propagation time deriving unit 23 into the following equation (1) to obtain from the piezoelectric element 11 to the liquid surface 31.
  • the propagation velocity v is 2 MHz when the thickness of the vibration propagation member 12 is 2 mm and the guide wave 33A excited by the piezoelectric element 11 is 0.5 MHz.
  • the product is 1 MHz ⁇ mm, and the dispersion curve of FIG. It becomes 3 km / sec from L0. If the propagation time t is 1 msec, the distance h is 1.5 m.
  • the liquid level measuring device 10 configured as described above can continuously detect a change in the liquid level 31 in a range in which the vibration propagation member 12 is immersed in the liquid 32, and can further reduce power consumption in the signal processing unit 20. It can be kept low. Further, by providing the transmission unit 25 and wirelessly transmitting the liquid level information, the operator can monitor the liquid level without sticking to the work site.
  • a low-capacity secondary battery that can be stored by energy harvesting or the like can be adopted as a power supply source, and the liquid level measuring device can be operated permanently without maintenance. Furthermore, since it is not necessary to lay cables, workability and convenience at the site are improved.
  • FIG. 3A shows an embodiment of a vibration propagation member 12A fixed to the liquid container 30 (FIG. 1). 3, parts having the same configuration or function as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
  • the vibration propagation member 12 ⁇ / b> A has an upper end fixed to the piezoelectric element 11 and a lower end fixed to the fixing member 37.
  • the piezoelectric element 11 and the fixing member 37 are fixed to a support member 35 supported by the liquid container 30.
  • the support member 35 is provided with a guard member 36 that prevents excessive bending deformation accompanying abnormal vibration of the vibration propagation member 12A.
  • the guard members 36 are not in contact with the vibration propagation member 12A during normal measurement, and a plurality of guard members 36 are arranged along the longitudinal direction thereof. Furthermore, these guard members 36 also serve to protect the low-rigidity propagation member 12A from external stress.
  • FIG. 3B shows another embodiment of the vibration propagation member 12B.
  • the vibration propagation member 12 ⁇ / b> B is configured by a hollow tube that sandwiches both ends of the piezoelectric element 11.
  • the cross section of the vibration propagation member 12B is not limited to the illustrated circle, and includes an ellipse, a rectangle, and the like, and has a configuration in which both ends of the piezoelectric element 11 are in contact with the inner peripheral surface thereof.
  • the propagation velocity v of the guide wave is derived from the velocity dispersion curve (FIG. 2) based on the updated shape factor corresponding to the cross-sectional shape, diameter, and thickness of the vibration propagation member 12B.
  • the vibration propagation member is partially immersed in the liquid, and the propagation time required for the ultrasonic waves to be reflected and reciprocated by the water surface is derived. It is possible to measure the surface level with high accuracy with a simple configuration.

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Abstract

　外乱に対する耐性が高く、さらに容器に収容された液体の液面レベルを簡単な構成で高精度に計測する技術を提供する。　液面レベル計測装置１０は、液面３１から一部が露出するように液体３２に浸漬する振動伝播部材１２と、この振動伝播部材１２の端部に設けられその長手方向に振動３３を伝播させる圧電素子１１と、液面３１で反射する振動３３の伝播時間に基づいて液面レベルを導く信号処理部２０と、を備えている。

Description

液面レベル計測装置及び方法
　本発明は、超音波を用いる液面レベル計測技術に関する。
　原子力および火力化学プラントの容器の液面レベルを超音波により計測する技術が知られている。
　このうち、液面の上部に超音波の送受信器を設け、送信された超音波が気相を伝播して液面に反射し、再び気相を伝播して受信されるまでの往復時間から液面レベルを導く方式がある（例えば、特許文献１～３）。
　また、液体容器の底面から導波管を鉛直方向に立設し、この導波管の下端内側に超音波の送受信器を設け、送信した超音波が導波管内側の液相を上方に伝播し、液面に反射して下方に伝播して受信されるまでの往復時間から液面レベルを導く方式がある（例えば、特許文献４）。
　さらに、上端に振動子が設置された導波管を、部分的に液体へ浸漬させ、この導波棒の共振特性から液面レベルを導く方式がある（例えば、特許文献５）。
特開２００９－２７１０５６号公報 特開２０００－００９５１９号公報 特開平０８－２４８１７７号公報 特開平０５－２７３０３３号公報 特開平０９－２３６４７５号公報
　ところで、前記した特許文献１～３の技術は、気相間の温度ゆらぎの影響を受けて測定誤差が大きくなったり、液面の波立ち，泡立ち，浮遊物等により反射波が戻りにくくなり測定不能に陥ったりする課題があった。
　また、特許文献４の技術は、他の周辺機器との整合性を考慮する際に、設計上の制約が多い課題があった。
　また、特許文献５の技術は、液面レベルを導く拠り所となる導波棒の共振特性が、その他のさまざまな影響因子に大きく依存するために、解析が困難な課題がある。
　本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、外乱に対する耐性が高く、さらに容器に収容された液体の液面レベルを簡単な構成で高精度に計測する技術を提供することを目的とする。
本発明に係る液面レベル計測装置の実施形態を示す概念図。 ガイド波の速度分散曲線を示すグラフ。 （Ａ）振動伝播部材の実施形態を示す構成図、（Ｂ）振動伝播部材の他の実施形態を示す構成図。
　以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
　図１に示すように液面レベル計測装置１０は、液面３１から一部が露出するように液体３２に浸漬する振動伝播部材１２と、この振動伝播部材１２の端部に設けられその長手方向に振動３３を伝播させる圧電素子１１と、液面３１で反射する振動３３の伝播時間に基づいて液面レベルを導く信号処理部２０と、を備えている。
　このように液面レベル計測装置１０が構成されることにより、容器３０に収容される液体３２の液面３１のレベルを、この容器３０側に固定される振動伝播部材１２が長手方向に占める範囲において検出することができる。
　振動伝播部材１２は、図１において圧電素子１１の両端を挟持する一対（二枚）の板状体で構成されている。これにより、圧電素子１１により励起した振動３３を、液面レベルの検出に効率利用することができる。
　なお、振動伝播部材１２の形態は、特に限定はなく、一枚の板状体で構成してもよい。つまり振動伝播部材１２は、液面３１から長手形状の一部が露出するように液体３２に浸漬し、圧電素子１１から出力される振動３３を長手方向に伝播させる機能を有するものであれば適宜採用される。
　圧電素子１１に電気パルス信号２６が入力すると、振動伝播部材１２の端部から長手方向に超音波の振動３３が伝播する。圧電素子１１により励起される超音波のうちＬモード（Longitudinal-mode）のガイド波３３Ａは、振動伝播部材１２の長手方向に長距離伝播する特性を有している。
　そして、液面３１（気体と液体３２の界面）における音響インピーダンスの相違に基づいてガイド波３３Ａの一部が反射して、振動伝播部材１２を逆方向に伝播するエコー波３３Ｂとなって圧電素子１１に到達する。このエコー波３３Ｂを入力した圧電素子１１は、その振動エネルギーを電気エネルギーに変換した応答信号２７を出力する。
　信号処理部２０は、出力した電気パルス信号２６と入力した応答信号２７との時間差から、振動３３が振動伝播部材１２の露出部分を往復する伝播時間ｔを求め、この伝播時間ｔに基づいて液面レベルを導く。
　信号処理部２０は、電気パルス信号２６を圧電素子１１に送信する信号送信部２１と、圧電素子１１から応答信号２７を受信する信号受信部２２と、出力した電気パルス信号２６及び入力した応答信号２７の時間差から振動３３の伝播時間ｔを導く伝播時間導出部２３と、この伝播時間ｔに基づいて液面レベルを演算する液面レベル演算部２４と、演算した液面レベルの情報を外部に無線伝送する伝送部２５と、から構成されている。
　図２のグラフは、ガイド波の速度分散曲線を示す。
　ここで、Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２は、Ｌモードのガイド波の基本振動成分及びその整数倍の振動数を有する高調波成分に対応し、Ｓ０，Ｓ１，Ｓ２は、Ｓモードのガイド波の基本振動成分及びその整数倍の振動数を有する高調波成分に対応している。
　そして、この速度分散曲線の横軸パラメータは、伝播するガイド波の周波数と振動伝播部材１２の形状因子とその弾性係数との積で表される。
　従って、振動伝播部材１２の形状及び弾性率並びに応答信号２７の周波数が定まれば、図２に基づいて、この振動伝播部材１２を伝播するガイド波３３Ａ及びそのエコー波３３Ｂの伝播速度ｖを導くことができる。
　液面レベル演算部２４は、この伝播速度ｖを装置定数として扱うことができ、伝播時間導出部２３で取得した伝播時間ｔを次式（１）に代入し、圧電素子１１から液面３１までの距離ｈを演算し、液面レベルを求めることができる。
　　　　　　　　ｈ＝ｔ×ｖ／２　　（１）
　ちなみに、この伝播速度ｖは、振動伝播部材１２の厚さを２ｍｍとし、圧電素子１１で励起されるガイド波３３Ａが０．５ＭＨｚとすると、その積は１ＭＨｚ・ｍｍとなり、図２の分散曲線のＬ０から３ｋｍ／ｓｅｃとなる。そして、伝播時間ｔが１ｍｓｅｃであるとすると、距離ｈは１．５ｍとなる。 
　このように構成される液面レベル計測装置１０は、振動伝播部材１２が液体３２に浸漬する範囲において液面３１の変化を連続的に検出することができ、さらに信号処理部２０における消費電力を少なく抑えることができる。
　また、伝送部２５を設けて液面レベルの情報を無線伝送することによりオペレータは、作業現場に張り付くことなく、この液面レベルを監視することができる。
　これにより、電力供給源として環境発電等により蓄電可能な低容量の二次電池を採用することができ、液面レベル計測装置を恒久的にメンテナンスフリーで動作させることができる。さらに、ケーブル類を敷設する必要が無くなることで現場における作業性と利便性が向上する。
　図３（Ａ）は、液体容器３０（図１）に固定される振動伝播部材１２Ａの実施形態を示している。なお、図３において図１と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。
　この振動伝播部材１２Ａは、その上端が圧電素子１１に固定され、下端が固定部材３７に固定されている。そして、この圧電素子１１及び固定部材３７は、液体容器３０に支持される支持部材３５に固定されている。
　さらに、この支持部材３５には、振動伝播部材１２Ａの異常振動に伴う過剰な撓み変形を防止するガード部材３６が設けられている。
　このガード部材３６は、通常計測時において振動伝播部材１２Ａとは非接触で、その長手方向に添って複数配列している。さらにこれらガード部材３６は、低剛性の伝播部材１２Ａを、外部の応力から保護する役目も担っている。
　図３（Ｂ）は、振動伝播部材１２Ｂの他の実施形態を示している。
　本実施形態において振動伝播部材１２Ｂは、圧電素子１１の両端を挟持する中空管で構成されている。
　この振動伝播部材１２Ｂの断面は、図示される円形に限定されるものではなく、楕円、矩形等も含み、その内周面に圧電素子１１の両端が接する構成を有する。
　そして、振動伝播部材１２Ｂの断面形状、直径、肉厚に対応して更新した形状因子に基づいて、速度分散曲線（図２）からガイド波の伝播速度ｖを導く。
　以上述べた少なくともひとつの実施形態の液面レベル計測装置によれば、振動伝播部材を液体に部分浸漬させて超音波が水面で反射して往復伝播するのに要する伝播時間を導くことにより、液面レベルを簡単な構成で高精度に計測することが可能となる。
　本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

Claims (5)

  1. 　液面から一部が露出するように液体に浸漬する振動伝播部材と、
    　前記振動伝播部材の端部に設けられその長手方向に振動を伝播させる圧電素子と、
    　前記液面で反射する前記振動の伝播時間に基づいて液面レベルを導く信号処理部と、を備えることを特徴とする液面レベル計測装置。
  2. 　請求項１に記載の液面レベル計測装置において、
    　前記振動伝播部材は、前記圧電素子の両端を挟持する一対の板状体であることを特徴とする液面レベル計測装置。
  3. 　請求項１に記載の液面レベル計測装置において、
    　前記振動伝播部材は、前記圧電素子の両端を挟持する中空管であることを特徴とする液面レベル計測装置。
  4. 　請求項１に記載の液面レベル計測装置において、
    　前記信号処理部は、環境発電により蓄電された二次電池から駆動電力が供給され、前記液面レベルの情報を無線伝送することを特徴とする液面レベル計測装置。
  5. 　液面から一部が露出するように液体に浸漬する振動伝播部材の端部に設けられた圧電素子から長手方向に伝播して前記液面で反射する振動の伝播時間に基づいて液面レベルを導くことを特徴とする液面レベル計測方法。
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