WO2017122464A1 - 超音波計測装置及び遠心圧縮機装置 - Google Patents

超音波計測装置及び遠心圧縮機装置 Download PDF

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WO2017122464A1
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phase particles
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鈴木　睦三
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株式会社日立製作所
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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/02—Investigating particle size or size distribution
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G—PHYSICS
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    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/02—Analysing fluids
    • G01N29/024—Analysing fluids by measuring propagation velocity or propagation time of acoustic waves

Definitions

  • the present invention relates to an ultrasonic measurement device that detects fine particles in a gas using ultrasonic waves.
  • the present invention relates to an ultrasonic measurement device and a centrifugal compressor device that detect liquid phase particles in a gas.
  • centrifugal compressors used in resource development fields such as natural gas collection to increase the efficiency of natural gas collection by compressing and boosting gas containing natural gas. More specifically, by installing a centrifugal compressor in a natural gas well, natural gas can be collected efficiently by increasing the pressure with the centrifugal compressor even when the self-injection pressure in the well is small. become.
  • phase different from the gas-phase is called a heterophase.
  • Different phases include liquid-phase and solid-phase.
  • Patent Document 1 discloses a flow rate measuring device that measures the water vapor concentration in gas with ultrasonic waves. According to Patent Document 1, the speed of sound is measured by passing an ultrasonic wave through a measurement target gas, and it is determined whether the measurement target gas is in a saturated water vapor state using the relationship between the water vapor concentration in the gas and the sound speed. .
  • Patent Document 1 can detect the water vapor concentration in the measurement target gas, but cannot detect whether liquid phase particles such as droplets are present. In addition, it is impossible to detect what size liquid phase particles exist in the gas.
  • the water vapor concentration is the concentration of water molecules present as a gas phase in the gas. That is, in the configuration of Patent Document 1, a droplet cannot be detected because it is based on the relationship that the sound velocity of the ultrasonic wave propagating in the air changes depending on the water vapor concentration in the air. In addition, since water molecules as a gas phase are targeted, there is no size information such as particle size.
  • an object of the present invention is to provide an ultrasonic measurement apparatus capable of detecting different phase particles such as liquid phase particles and solid phase particles in a measurement target gas.
  • the present invention solves the above problems by using the following configuration.
  • An ultrasonic measurement apparatus for measuring a gas, and an ultrasonic element that operates at different first and second frequencies, an excitation circuit that outputs an excitation waveform of each frequency, and operates at each frequency
  • a particle detector for detecting the out-of-phase particles in the gas using the sound velocity at the first frequency and the sound velocity at the second frequency, which is calculated by the propagation waveform analyzer. Ultrasonic measuring device equipped with.
  • a measurement method of an ultrasonic measurement device for measuring a gas wherein an ultrasonic element is operated at first and second frequencies different from each other, and a propagation waveform analysis unit calculates a sound velocity at each frequency
  • a measurement method of an ultrasonic measurement device that detects different phase particles in the gas based on a difference in sound velocity depending on frequency.
  • the ultrasonic measurement apparatus of the present invention it is possible to detect whether different phase particles such as liquid phase particles and solid phase particles exist in the measurement target gas.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration of a compressor main part of a centrifugal compressor device according to a sixth embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration of a centrifugal compressor device according to a sixth embodiment. It is a figure which shows typically the operating characteristic of the centrifugal compressor apparatus of Example 6.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration of a compressor main part of a centrifugal compressor device according to a sixth embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration of a centrifugal compressor device according to a sixth embodiment. It is a figure which shows typically the operating characteristic of the centrifugal compressor apparatus of Example 6.
  • the gas container 501 contains a gas 502 to be measured.
  • the ultrasonic measurement apparatus 20 includes two ultrasonic elements 21 and 22, an excitation circuit 31, a reception circuit 32, and a signal processing unit 40.
  • the signal processing unit 40 further includes a propagation waveform analysis unit 41 and a particle detection unit 42.
  • the ultrasonic elements 21 and 22 are installed in the gas container 501. It may be installed on the outer wall of the gas container 501, or an ultrasonic element may be disposed in the opening of the gas container 501 so that the ultrasonic elements 21 and 22 are in contact with the gas 502. When an ultrasonic element is installed in the opening, the structure is hermetically sealed as necessary.
  • the excitation circuit 31 applies an excitation voltage waveform having the first frequency f1 to the ultrasonic element 21. Accordingly, the ultrasonic element 21 transmits an ultrasonic wave having the first frequency f1 into the gas 502. The ultrasonic wave propagates through the gas 502 and then reaches the ultrasonic element 22 and is received. The ultrasonic element 22 converts the received ultrasonic wave into an electric signal and inputs it to the receiving circuit 32.
  • the receiving circuit 32 performs signal preprocessing such as amplification or shaping of the electric signal, and then inputs the shaped signal to the propagation waveform analysis unit 41 of the signal processing unit 40.
  • the propagation waveform analysis unit 41 calculates the sound velocity c1 from the received signal waveform. This is the sound velocity c1 at the first frequency f1.
  • the excitation circuit 31 applies an excitation voltage waveform of the second frequency f2 to the ultrasonic element 21. Accordingly, the ultrasonic element 21 transmits an ultrasonic wave having the second frequency f2 into the gas 502. The ultrasonic element 22 converts the received ultrasonic wave into an electric signal and inputs it to the receiving circuit 32. By performing signal processing similar to the above, the propagation waveform analysis unit 41 calculates the sound velocity c2 at the second frequency f2.
  • the particle detector 42 detects the presence of liquid phase particles or solid phase particles based on the sound velocity c1 at the first frequency f1 and the sound velocity c2 at the second frequency f2. The detection method will be described later.
  • the particle detection unit 42 outputs the detection result as a liquid phase particle detection signal to the particle detection signal terminal 44 as necessary.
  • the signal form of the liquid phase particle detection signal may be an electrical signal such as an analog signal or a digital signal, or may be a logic signal output from a microcontroller MPU or the like.
  • the detection contents represented by the liquid phase particle detection signal include the following. (a) A signal indicating whether or not different phase particles are present, (b) A signal indicating the amount of the different phase particles, and the like.
  • phase different from the gas-phase is referred to as a heterophase.
  • Different phases include liquid-phase and solid-phase.
  • the heterophasic particles include liquid phase particles and solid phase particles. Specific examples of liquid phase particles include droplets and mist.
  • the present invention is mainly intended for a case where a plurality of different-phase particles are dispersed in a gas, for example, and are present in a dispersed state (dispersed).
  • the gas may be stationary or flowing.
  • the pipe through which the gas flows corresponds to the gas container 501.
  • the particle size of the heterophasic particles to be detected in the present invention is generally assumed to be in the range of about 0.1 ⁇ m to 1 mm, and is typically 1 ⁇ m to 200 ⁇ m. However, the present invention is not limited to this particle size range.
  • liquid phase particles When ultrasonic waves are applied to different phase particles (liquid phase particles or solid phase particles) in a gas, sound waves are scattered.
  • liquid phase particles will be described as examples of the different phase particles. The same applies to solid phase particles.
  • the cause of the scattering is that the acoustic impedance changes at the interface between the gas phase and the liquid phase.
  • the longitudinal acoustic impedance of air is 0.4 ⁇ 10 3 [kg / (m2 ⁇ s)]
  • the longitudinal acoustic impedance of water in the liquid phase is 1.5 ⁇ 10 6 [kg / (m2 ⁇ s). )]
  • the frequency is 34 mm at a frequency of 10 kHz
  • the wavelength is 3.4 mm at a frequency of 100 kHz, which is larger than the assumed particle size of the different phase particles.
  • the scattering of sound waves is mainly forward scattering.
  • forward scattering is a scattered wave scattered in the traveling direction of the sound wave. Therefore, the sound wave received by the ultrasonic element arranged in the traveling direction of the ultrasonic wave is a composite wave of the incident wave and the forward scattered wave.
  • the forward scattered wave has the same direction as the incident wave, but the phase changes due to scattering by liquid phase particles. For this reason, the phase of the composite wave also changes. This sound wave phase change is observed as a change in sound velocity.
  • the total phase change due to scattering with each liquid phase particle becomes the phase change in the reception ultrasonic element, and the amount of change in the sound speed increases.
  • the amount of phase change at the time of scattering is also different. For this reason, the amount of change in sound speed also changes depending on the particle size of the liquid phase particles.
  • the amount of phase change during scattering changes when the wavelength of the ultrasonic wave changes. That is, when the wavelength of the ultrasonic wave is changed, the amount of change in sound speed also changes.
  • the present invention detects liquid phase particles by measuring the speed of sound at a plurality of frequencies. The specific method will be described with reference to FIG.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing how the speed of sound changes with respect to frequency change in a gas containing liquid phase particles.
  • the solid line is the characteristic when the liquid phase particle size is 10 ⁇ m
  • the dotted line is the characteristic when the particle size is 100 ⁇ m.
  • the speed of sound changes depending on the frequency of the ultrasonic wave, and the characteristic indicating the relationship between the speed of sound c and the frequency f also changes depending on the particle size of the liquid phase particles.
  • the amount of change in sound velocity value due to frequency is determined by the concentration of liquid phase particles in the gas, and the amount of change in sound velocity value increases as the liquid phase particle concentration increases. This is because, as described above, the greater the number of liquid phase particles present on the ultrasonic wave propagation path, the greater the total value of the amount of phase change due to scattering, and the greater the change in sound velocity.
  • the particle detection unit detects the presence of liquid phase particles or measures the concentration of liquid phase particles from the measured values of sound velocities c1 and c2 at a plurality of frequencies f1 and f2 by the above-described determination method.
  • ⁇ is the gas compressibility and ⁇ is the density. Since the molecular weight of water molecules is smaller than the average molecular weight of air (mainly nitrogen), the density of air decreases as the water vapor concentration increases. Therefore, due to the relationship of (Equation 1), the sound speed increases slightly as the water vapor concentration increases. Also, as suggested by (Equation 1), the velocity of sound hardly changes even if the frequency is changed in a gas that does not contain different phases. FIG. 3 schematically shows these characteristics.
  • the sound velocities c1 and c2 measured at different frequencies f1 and f2 are substantially equal. Therefore, it is determined that the measurement target gas does not include different phase particles such as liquid phase particles. This is a detection result as intended by the present invention.
  • the configuration of the propagation waveform analysis unit 41 will be described in detail. The main role of the propagation waveform analysis unit 41 is to calculate the sound speed from the received waveform.
  • the ultrasonic propagation path is determined.
  • the propagation path can be obtained by calculation.
  • the length of the path in the gas is the vapor phase propagation path length Lg
  • the length of the path in the container 501 wall is the in-wall propagation path length Lw.
  • the speed of sound in the vessel wall 501 is obtained from the material of the vessel wall 501, and the propagation time ⁇ w in the wall can be calculated using the propagation path length Lw in the wall.
  • the two parameters of the gas phase propagation path length Lg and the intra-wall propagation time ⁇ w are held in the parameter storage unit 43 in the signal processing unit 40. Since these parameters can be calculated once the arrangement positions of the ultrasonic elements 21 and 22 are determined, they are input to the parameter storage unit 43 in advance.
  • the parameter holding unit 43 may be held in the parameter holding unit 43 in the form of parameters equivalent to the vapor phase propagation path length Lg and the intra-wall propagation time ⁇ w. A method for calculating the speed of sound will be described.
  • the applied voltage waveform in the excitation circuit 31 and the received waveform are compared, and a delay time ⁇ t until the signal rises in the received waveform is obtained. Then, the sound speed can be calculated by the equation (2).
  • a cross-correlation processing unit may be provided. Even in this configuration, the gas phase propagation path length Lg and the intra-wall propagation time ⁇ w are held in the parameter holding unit.
  • the excitation voltage waveform e (t) and the received signal waveform r (t) are input, and the cross-correlation Rcc ( ⁇ ) of (Equation 3) is calculated.
  • the integration period T can be set appropriately.
  • the speed of sound can be calculated by (Equation 2).
  • Calculating the speed of sound using the cross-correlation function has the advantage of being less susceptible to signal noise, and is more preferable.
  • the ultrasonic measurement apparatus 20 of Example 2 will be described with reference to FIG.
  • This embodiment is characterized in that a plurality of ultrasonic element pairs are used according to the frequency.
  • the ultrasonic measurement apparatus 20 of the present embodiment includes a first transmission ultrasonic element 21A that operates at the first measurement frequency f1 and a second ultrasonic transmission element 21B that operates at the second measurement frequency f2. Prepare. Furthermore, a first receiving ultrasonic element 22A corresponding to the first transmitting ultrasonic element and a second receiving ultrasonic element 22B corresponding to the second transmitting ultrasonic element are provided.
  • the first excitation circuit 31A applies an excitation voltage to the first transmitting ultrasonic element 21A to transmit an ultrasonic wave having a frequency f1.
  • the second excitation circuit 31B applies an excitation voltage to the second transmitting ultrasonic element 21B to transmit an ultrasonic wave having a frequency f2.
  • the first and second receiving ultrasonic elements 22A and 22B are connected to the first and second receiving circuits 32A and 32B, respectively.
  • the output signals from these two receiving circuits 32A and 32B are input to the propagation waveform analysis unit 41 in the signal processing unit 40.
  • the sound velocity c1 at the first frequency f1 is calculated from the received signal received by the first receiving circuit 32A by the same procedure as in the first embodiment, and is received by the second receiving circuit 32B.
  • the sound speed c2 at the second frequency f2 is calculated from the received signal.
  • the particle detector 42 uses the sound velocity values at these two frequencies to detect and measures the out-of-phase particles in the same manner as in the first embodiment.
  • the second effect is that an ultrasonic element suitable for each of the two frequencies f1 and f2 can be used.
  • the apparatus can be easily configured even when the frequencies f1 and f2 are greatly different.
  • the ultrasonic measurement apparatus 20 of Example 3 will be described with reference to FIG.
  • This embodiment is characterized by measuring the speed of sound by temporally sweeping the frequency.
  • the excitation circuit 31 outputs an excitation voltage waveform having a frequency f (tn), and the ultrasonic element 21 transmits an ultrasonic wave having a frequency f (tn).
  • the signal received by the reception-side ultrasonic element 22 is preprocessed by the reception circuit 32 and input to the propagation waveform analysis unit 41 of the signal processing unit 40.
  • the propagation waveform analysis unit 41 calculates the sound velocity c (tn).
  • the relationship between the frequency f (tn) and the sound velocity c (tn) can be obtained.
  • the c-f characteristic as illustrated in FIG. 2 can be measured.
  • the particle detector 42 detects the out-of-phase particle or measures the out-of-phase particle amount using the measured c-f characteristic.
  • the ultrasonic measurement apparatus 20 of Example 4 will be described with reference to FIG.
  • This embodiment is characterized in that the excitation circuit 31 outputs a voltage waveform having a chirp waveform (chirp waveform), and the ultrasonic element 21 transmits an ultrasonic wave having a chirp waveform.
  • Chirp waveform is a signal whose frequency changes over time.
  • the ultrasonic frequency can be continuously swept, there is an effect that the c-f characteristic can be obtained at high speed.
  • the ultrasonic wave transmitted from the transmitting-side ultrasonic element 21 is not pulsed, but a continuous ultrasonic wave is transmitted.
  • the propagation waveform analysis unit 41 includes a correlation function processing unit.
  • a signal corresponding to the excitation waveform is input from the excitation circuit 31 and a reception signal is input from the reception circuit 32 to the cross correlation function processing unit.
  • the cross-correlation function Rcc (t) is calculated from (Equation 3).
  • the integration period T is set to a length corresponding to the required frequency resolution. Since the frequency of chirp waves changes with time, if the integration period T is set short, responses other than the frequencies included in the integration period T are also observed, so the time resolution decreases.
  • the propagation delay time can be correctly calculated by the cross-correlation process even when the response waveform is delayed by more than one wavelength due to the propagation delay.
  • a continuous wave is used as an ultrasonic wave instead of a pulse wave, and the sound speed can be measured by sweeping the frequency continuously in time, so that the cf characteristic can be obtained at a high speed. effective.
  • This embodiment is characterized in that an ultrasonic current meter and the present invention are combined.
  • the third ultrasonic element 23 and the fourth ultrasonic element are added to the first ultrasonic element 21 and the second ultrasonic element 22 used for the sound velocity measurement. With 24.
  • the third and fourth ultrasonic elements are connected to the transmission / reception circuit 34.
  • the transmission / reception circuit 34 has a configuration in which an excitation circuit is connected to the third ultrasonic element, a receiving circuit is connected to the fourth ultrasonic element, and a circuit is connected to the third ultrasonic element, thereby It is a circuit capable of switching between a configuration in which an excitation circuit is connected to a sound wave element.
  • the angle between the ultrasonic propagation path (that is, the survey line) between the third and fourth ultrasonic elements 23 and 24 and the direction of gas flow is defined as ⁇ .
  • the ultrasonic elements 23 and 24 are installed so that ⁇ does not become 90 °. That is, the ultrasonic element is arranged so that the survey line is not orthogonal to the flow direction.
  • the signal received by the transmission / reception circuit 34 is input to the flow velocity detection unit 46 provided in the signal processing unit 40.
  • the flow velocity detector 46 measures the gas flow velocity V based on the received signal.
  • the propagation time in the propagation path in which an ultrasonic wave is transmitted from the third ultrasonic element 23 and received by the fourth ultrasonic element 24 is tu. This is the propagation time of an ultrasonic wave that travels against the flow, ie, travels upstream.
  • the propagation time in the propagation path in which the ultrasonic wave is transmitted from the fourth ultrasonic element 24 and received by the third ultrasonic element 23 is defined as td. This is the propagation time of the ultrasound traveling downstream (downstream).
  • the ultrasonic sound velocity is superfluous with the velocity of the gas in the stationary gas, where the gas velocity ⁇ V is superimposed.
  • the time difference between the upstream propagation time tu and the downstream propagation time td is the gas velocity. It can be seen that it corresponds to. Taking into account the angle ⁇ between the gas flow and the propagation path, the flow velocity can be obtained from Equation (4).
  • L'g is the length of the ultrasonic wave propagation path in the gas container wall.
  • ⁇ is the ultrasonic wave propagation time in the gas container wall. If (Equation 6) is used, the value of the speed of sound c is not required to obtain the flow velocity V.
  • the propagation time difference method was described as a method for measuring the gas flow velocity.
  • the flow velocity detection unit may measure the flow velocity V using a Doppler method or a cross-correlation method.
  • the information on the gas flow velocity V measured in this way is output from the flow velocity signal output terminal.
  • the signal output from the flow velocity signal output terminal is transmitted in a signal format such as an analog signal, a digital signal, or a logic signal that can be processed by the CPU.
  • the centrifugal compressor 301 of this embodiment is composed of a compressor main part 302, an ultrasonic measuring device 350, and a compressor control part 303.
  • FIG. 8 is a diagram showing the configuration of the compressor main part 302 and the ultrasonic measurement device 350.
  • the compressor main section 302 includes an outer casing 312, an inner casing 313, rotating blades 320, fixed blades 314 and 315, and a motor unit 330.
  • the outer casing 312 and the inner casing 313 are fixed concentrically by a support member 318.
  • a stator 331 is fixed inside the inner casing 313.
  • the stator 331 is an electromagnet composed of a stator core (not shown) and a stator coil (not shown).
  • the journal bearings 324 and 325 and the thrust bearing 326 are installed inside the inner casing 313, and the rotor is held in a rotatable state by these bearings.
  • the rotor 322 and the stator 331 constitute a motor unit 330.
  • the rotor rotates by supplying an appropriate alternating current to the stator coil to generate an alternating magnetic flux.
  • the rotational speed of the rotor is typically 20,000 to 50,000 rpm. Further, when an induction motor is used as the motor unit, the permanent magnet 332 is not required to be installed.
  • the rotor 322 is mechanically coupled to the rotor 322.
  • the rotor wing 320 rotates.
  • Fixed blades 314 and 315 are provided between the outer casing 312 and the inner casing 313.
  • the fixed blade includes an input-side fixed blade 314 arranged on the gas input side and an output-side fixed blade 315 on the gas output side.
  • the gas passes through the air passage formed by the gap between the rotary blade 320 and the fixed blades 314 and 315.
  • the compressed gas passes through a gas flow path 328 formed between the outer casing 312 and the inner casing 313, and is exhausted from the compressor main part 302.
  • the arrow 335 described in FIG. 8 shows the direction through which gas flows. (Installation location of ultrasonic measuring device for detecting different phase particles) The installation location of the ultrasonic measurement apparatus 350 for detecting the heterogeneous particles will be described.
  • a gas introduction part 341 is installed on the gas input side of the outer casing 312.
  • Two ultrasonic elements 351 and 352 are provided in the gas introduction part 341 so as to face each other.
  • the gas introduction part 341 has a structure extending to the gas input side from the end part of the inner casing 313. As a result, there is no shielding between the two ultrasonic elements 351 and 352, so that ultrasonic waves can be transmitted and received. become.
  • the ultrasonic elements 351 and 352 are connected to the ultrasonic measurement device control unit 355.
  • the ultrasonic measurement device control unit 355 includes an excitation circuit, a reception circuit, a signal processing unit, and a particle detection signal terminal.
  • the foreign phase particles in the gas in the gas introduction unit 341 are detected and measured, and the measurement result is output from the particle detection signal terminal.
  • compressor control unit The configuration of the compressor control unit 303 of the centrifugal compressor 301 will be described with reference to FIG.
  • the compressor control unit 303 includes a motor drive circuit 361 that supplies a voltage waveform to the motor unit 330 of the compressor main unit 303, and a drive control unit 363 connected to the motor drive circuit 361.
  • the motor drive circuit 361 typically uses an inverter circuit.
  • the drive control unit 363 receives the rotation command value of the rotor 322 of the compressor and controls the motor drive circuit 361 so that the rotation of the rotor becomes a desired operation state.
  • the signal output from the particle detection signal terminal 44 of the ultrasonic measurement device 350 is input to the drive control unit 363.
  • the drive control unit 363 appropriately controls the rotation state of the rotor 322 of the compressor main unit 302 based on the information on the amount of liquid phase particles in the gas.
  • control is performed as follows.
  • FIG. 10 is a diagram schematically showing the relationship between the rotational speed of the rotor of the compressor main section 302 and the input energy to the motor section 330.
  • the rotation speed and the input energy are shown in arbitrary units.
  • the stator 331 is increased, the rotational speed of the rotor 332 increases.
  • a characteristic curve 432 indicated by a solid line is a characteristic when there is no liquid phase particle in the gas.
  • a characteristic curve 434 indicated by a dotted line in the figure is a characteristic when liquid phase particles exist in the gas.
  • the operating energy of the compressor is maintained in an optimum state by increasing the input energy to the motor unit 330 according to the amount of liquid phase particles.
  • the drive control unit 363 reduces or stops the rotor speed of the compressor main unit 302. To prevent damage to the compressor.
  • the ultrasonic measuring device 350 is configured as described in Example 5 (FIG. 7) and has a gas flow velocity measuring function.
  • the particle detection signal and the flow velocity signal are output from the ultrasonic measurement device and input to the compressor control unit 303.
  • the finer centrifugal compressor can be controlled by using the gas flow velocity information.
  • the proposed embodiment may be implemented alone, or in some cases, a plurality of embodiments may be combined.

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Abstract

気体を計測対象とする超音波計測装置では，従来，液滴やミストなどの液相粒子を検出することが出来なかった。本発明は、以下の構成を用いることで上記の課題を解決するものである。超音波素子から対象気体中に複数の周波数での超音波を発信して，複数の周波数での音速を計測する。周波数による音速の変化から液相粒子や固相粒子などの存在を検出することが出来る。

Description

超音波計測装置及び遠心圧縮機装置
　本発明は、超音波を用いて気体中の微粒子を検出する超音波計測装置に関する。特に，気体中の液相粒子を検出する超音波計測装置及び遠心圧縮機装置に関する。
　気体中に液相粒子や固相粒子などの異相粒子が含まれるケースが，実応用においてしばしば発生する。特に，土木分野や資源開発分野など，産業分野で発生する場合がある。
　このような気体中の異相粒子を検出・計測することは産業応用上重要である。
　例えば，天然ガス採取などの資源開発分野で使用する遠心圧縮機には，天然ガスを含む気体を圧縮して昇圧することで天然ガス採取の効率を高めるのに用いるものがある。より具体的に述べると，天然ガス井戸中に遠心圧縮機を設置することで，井戸の自噴圧力が小さい場合でも，遠心圧縮機で昇圧することで，天然ガスを効率的に採取することが可能になる。
　しかしながら，通常の遠心圧縮機は，気体を圧縮するために設計されているため，気体中に，液滴やミストなどの液相粒子が含まれていると，圧縮機の動特性が変化し，圧縮機性能が低下するという課題が発生する。
　本明細書では，気相(gas-phase)と異なる「相」(phase)を異相(heterophase)と呼ぶ。異相には液相(liquid-phase)と固相(solid-phase)が含まれる。
　気体中の液滴検出に関連した技術として，気体中の水蒸気濃度を超音波で計測する流量計測装置が特許文献１に開示されている。特許文献１によれば，測定対象気体中に超音波通過させて音速を測り，気体中の水蒸気濃度と音速との関係を用いて，測定対象気体が飽和水蒸気状態にあるか否かを判定する。
特開２００４－１２１６９号公報
　しかしながら，特許文献１に記載の従来技術は，測定対象気体中の水蒸気濃度を検出することが出来るが，液滴などの液相粒子が存在するかを検知することは出来ない。ましてや，気体中にどのような粒径の液相粒子が存在するかを検知することは出来ない。
　水蒸気濃度は，気体中に気相として存在する水分子の濃度である。すなわち，特許文献１の構成では，空気中の水蒸気濃度により，その空気中を伝播する超音波の音速が変化する関係を基にしているため，液滴を検出することは出来ない。また，気相としての水分子を対象としているので，粒径などのサイズ情報も無い。
　一方，遠心圧縮機などにおいては，水蒸気などの気相分子は力学的には気体なので，それが存在しても動作特性にほとんど影響しない。しかし，液滴などの液相粒子は，圧縮機の動作特性に影響を与える。液相粒子が，遠心圧縮機の回転翼（インペラ）などに衝突することで力学的な影響を与えるためである。
　本発明は、上記課題に鑑み、測定対象気体中の液相粒子や固相粒子などの異相粒子を検出可能な超音波計測装置を提供することを目的とする。
　本発明は、以下の構成を用いることで上記の課題を解決するものである。
　気体を計測対象とする超音波計測装置であって，互いに異なる第１と第２の周波数で動作する超音波素子と，それぞれの周波数の励起波形を出力する励起回路と，それぞれの周波数で動作する伝播波形解析部とを備え，前記伝播波形解析部で算出された，第１の周波数での音速と第２の周波数での音速とを用いて，前記気体中の異相粒子を検出する粒子検出部を備えた，超音波計測装置。
　気体を計測対象とする超音波計測装置の計測方法であって，超音波素子を，互いに異なる第１と第２の周波数で動作させ，伝播波形解析部において，それぞれの周波数で音速を算出し，周波数による音速の違いに基づいて，前記気体中の異相粒子を検出する，超音波計測装置の計測方法。
　本発明による超音波計測装置によれば、測定対象気体中に液相粒子や固相粒子などの異相粒子が存在するかを検知することが可能になる。
実施例１の超音波計測装置の構成を示す図である。 異相粒子が存在する気体中での音速を示す模式図 気体の湿度が変化した時の音速変化を模式的に示す図 実施例２の超音波計測装置の構成を示す図である。 実施例３の超音波計測装置の構成を示す図である。 実施例４の超音波計測装置の構成を示す図である。 実施例５の超音波計測装置の構成を示す図である。 実施例６の遠心圧縮機装置の圧縮機主部の構成を示す図である。 実施例６の遠心圧縮機装置の構成を示す図である。 実施例６の遠心圧縮機装置の動作特性を模式的に示す図である。
　以下、図面を用いて、本発明を実施する上で好適となる実施例を説明する。尚、下記はあくまでも実施の例に過ぎず、発明の内容が下記具体的態様に限定されるものではない。本発明は、下記態様を含めて種々の態様に変形することが無論可能である。
　以下、図１を参照して、本発明による超音波計測装置20の構成を説明する。
　気体容器501内には測定対象の気体502が入っている。
　本発明による超音波計測装置20は，２つの超音波素子21, 22，励起回路31，受信回路32，信号処理部40とで構成される。信号処理部40はさらに，伝播波形解析部41，粒子検出部42を備える。
　超音波素子21，22は，気体容器501に設置される。気体容器501の外壁に設置しても良いし，気体容器501の開口部に超音波素子を配置して，超音波素子21，22が気体502に接するように設置してもよい。開口部に超音波素子を設置する場合は，必要に応じて気密封止をした構造にする。
　本実施例の超音波計測装置20の動作方法を説明する。
　励起回路31は第1の周波数f1の励起電圧波形を超音波素子21に印加する。これにより，超音波素子21は，第1の周波数f1の超音波を気体502中に発信する。超音波は気体502中を伝播した後，超音波素子22に到達し，受信される。超音波素子22は，受信した超音波を電気信号に変換して，受信回路32に入力する。受信回路32では，電気信号を増幅したり，整形したりするなどの信号前処理を行った後，整形信号を信号処理部40の伝播波形解析部41に入力する。
　伝播波形解析部41では，受信した信号波形から音速c1を算出する。これが第1の周波数f1での音速c1である。
　次に，励起回路31は第2の周波数f2の励起電圧波形を超音波素子21に印加する。これにより，超音波素子21は，第2の周波数f2の超音波を気体502中に発信する。超音波素子22は，受信した超音波を電気信号に変換して，受信回路32に入力する。上記と同様の，信号処理を施すことで，伝播波形解析部41は，第2の周波数f2での音速c2を算出する。
　粒子検出部42は，第1の周波数f1での音速c1と第2の周波数f2での音速c2とに基づいて，液相粒子または固相粒子の存在を検知する。その検知方法は後述する。
　粒子検出部42は，必要に応じて，その検知結果を粒子検出信号端子44に液相粒子検知信号として出力する。液相粒子検知信号の信号形態は，アナログ信号またはデジタル信号などの電気信号であっても良いし，マイクロコントローラMPU等が出力する論理信号であっても良い。
　液相粒子検知信号が表す検知内容には以下のものなどがある。(a) 異相粒子が存在するか否かを示す信号，(b) 異相粒子の量を表す信号，等である。
　なお，本明細書では，気相(gas-phase)と異なる「相」(phase)を異相(heterophase)と呼ぶ。異相には液相(liquid-phase)と固相(solid-phase)が含まれる。
　気体中の異相の粒子を異相粒子と呼ぶ。異相粒子には，液相粒子と固相粒子が含まれる。液相粒子の具体例としては，液滴やミストがある。
　本発明では，複数の異相粒子が気体中に浮遊するなどして，異相粒子が分散した状態(dispersed)で存在するものを主に対象としている。気体は，静止状態の場合もあるし，流れている場合もある。後者の場合は，気体が流れる配管が気体容器501に対応する。
　本発明で検出対象とする異相粒子の粒径は，概ね0.1μm～1mm程度の範囲を想定しており，典型的には1μm～200μmである。但し，本発明は，この粒径範囲に限定されるものではない。
　粒子検出部での，液相粒子または固相粒子の検知方法を述べる。
　気体中の異相粒子（液相粒子または固相粒子）に超音波を照射すると，音波の散乱が起こる。以下では，異相粒子として液相粒子を例にして説明する。なお，固相粒子の場合も同様である。
　散乱が起こる原因は，気相－液相間の界面で音響インピーダンスが変化するためである。例えば，空気の縦波音響インピーダンスは0.4×10３[kg/(m2・s)]であるのに対し，液相である水の縦波音響インピーダンスは1.5×10６[kg/(m2・s)]であり，１０００倍以上の違いがある。
　気体中の超音波の波長を概算する。典型的な例として空気を考えると，周波数10kHzで波長が34mm，周波数100kHzで波長が3.4 mmであり，想定している異相粒子の粒径よりも大きい。
　液相粒子の粒径が超音波の波長より小さい場合には，音波の散乱は前方散乱が主になる。ここで，前方散乱とは音波の進行方向に散乱する散乱波である。したがって，超音波の進行方向に配置された超音波素子で受信される音波は，入射波と前方散乱波との合成波になる。前方散乱波は，方向は入射波と同じだが，液相粒子による散乱で位相が変化する。このため，合成波の位相も変化する。この音波の位相変化は，音速の変化として観測される。
　超音波の伝播経路上に複数の液相粒子が存在すると，各液相粒子との散乱による位相変化の合計が，受信超音波素子における位相変化になるため，音速の変化量が大きくなる。
　また，液相粒子の粒径が異なると，散乱時での位相変化量も異なる。このため，液相粒子の粒径によっても音速の変化量が変化する。
　さらに，同じ粒径の液相粒子であっても，超音波の波長が変わると，散乱時の位相変化量が変化する。すなわち，超音波の波長を変化させると，音速の変化量も変化する。
　上述の考察に基づいて，本発明では，複数の周波数での音速を測定することにより，液相粒子を検出する。その具体的方法を図２を用いて述べる。
　図２は，液相粒子が存在する気体中において，周波数変化に対して音速がどう変化するかを模式的に示した図である。図中，実線は，液相粒子の粒径が10μmの場合の特性であり，点線は粒径が100μmの場合の特性である。
　超音波の周波数により音速が変化し，さらに音速cと周波数fとの関係を示す特性が，液相粒子の粒径によっても変わる。
　本明細書では，音速cと周波数fとの関係を「c-f特性」と呼ぶことにする。
　検出したい粒径に応じて，複数の測定周波数f1, f2を決めておく。例えば，粒径10μmの液相粒子を検出したい場合には，図２のf1, f2の周波数を選択すればよい。すなわち，音速が異なる周波数を選択すればよい。
　周波数f1での音速c1と周波数f2での音速c2とが異なる場合には，液相粒子が存在すると判定できる。
　図２に示したc-f特性曲線において，音速が大きく変化する周波数領域は，液相粒子の粒径や液相粒子を構成する材料により変化する。
　一方，周波数による音速値の変化量の大小は，気体中の液相粒子濃度により決まり，液相粒子濃度が大きいほど音速値の変化量は大きい。これは，上述の通り，超音波の伝播経路上に存在する液相粒子の個数が多いほど，散乱による位相変化量の合計値が増加するので，音速変化が大きくなるためである。
　粒子検出部では，上述の判定方法により，複数の周波数f1, f2での音速c1, c2の計測値から，液相粒子の存在の検出，または，液相粒子の濃度の計測を行う。
（従来技術との比較）
　本発明と従来技術との比較のため，液相粒子を含まない空気において，水蒸気濃度が変化した場合，すなわち，湿度が変化した場合について述べる。
　液相粒子などの異なる相(phase)を含まない場合，気体中の音速cは下記の式で求まることが広く知られている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ここで，κは気体の圧縮率，ρは密度である。水分子の分子量は空気(窒素が主成分）の平均分子量よりも小さいので，水蒸気濃度が増加すると空気の密度は低下する。そのため，（数１）の関係により，水蒸気濃度が増加すると音速はわずかに増加する。また，（数１）から示唆されるように，異なる相を含まない気体では周波数を変えても音速はほとんど変化しない。これらの特性を模式的に示したのが図３である。
　本発明の超音波計測装置によれば，異なる周波数f1, f2で測定した音速c1, c2がほぼ等しくなるので，この測定対象気体は，液相粒子などの異相粒子を含まないと判定される。これは，本発明が意図した通りの検出結果である。
（伝播波形解析部）
　伝播波形解析部41の構成を詳しく述べる。伝播波形解析部41の主な役割は，受信波形から音速を算出することである。
　超音波素子21，22の配置位置を設定すると，超音波の伝播経路が決まる。伝播経路は計算により求めることが出来る。伝搬経路のうち，気体中の経路の長さを気相伝播経路長Lg，容器501壁内の経路の長さを壁内伝播経路長Lwとする。容器501器壁の材料から，器壁501中の音速を求め，壁内伝播経路長Lwを用いて，壁内伝播時間τwを算出できる。
　気相伝播経路長Lgと壁内伝播時間τwの２つのパラメータを，信号処理部40の中の，パラメータ記憶部43に保持する。これらのパラメータは，超音波素子21，22の配置位置が決まれば算出できるので，あらかじめパラメータ記憶部43に入力しておく。
　気相伝播経路長Lgと壁内伝播時間τwと同等のパラメータの形で，パラメータ保持部43に保持しておいても良いことはいうまでもない。　
　音速の算出方法を述べる。
　伝播波形解析部41において，励起回路31での印加電圧波形と受信波形とを比較し，受信波形において信号が立ち上がるまでの遅延時間Δｔを求める。すると，音速は（数２）式で算出することが出来る。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　伝播波形解析部41の別の構成として，相互相関処理部を設けても良い。この構成でも，パラメータ保持部に気相伝播経路長Lgと壁内伝播時間τwとを保持しておく。
　相互相関処理部には，励起電圧波形e(t)と受信信号波形r(t)を入力し，（数３）の相互相関関数(cross-correlation) Rcc(τ)を算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
  ここで積分期間Tは，適切に設定すればよい。相互相関関数Rcc(τ)の最大値を与えるτmaxを伝播遅延時間Δtとする。すなわち，Δｔ＝τmaxとする。そして，（数２）により音速を算出することが出来る。
　相互相関関数を用いて音速を算出すると，信号ノイズの影響が受けにくくなるという利点があり，より好ましい。
　ここでは，音速を算出する方法を２つ述べたが，これ以外の方法を用いても本発明の効果が得られることは言うまでもない。
　実施例２の超音波計測装置20を図４を用いて説明する。
　本実施例は，周波数に応じて複数の超音波素子対を使用することを特徴とする。
　本実施例の超音波計測装置20は，第1の測定周波数f1で動作させる第1の発信用超音波素子21Aと，第2の測定周波数f2で動作させる第2の超音波発信用素子21Bを備える。さらに，第1の発信用超音波素子に対応した第1の受信用超音波素子22Aと，第２の発信用超音波素子に対応した第２の受信用超音波素子22Bとを備える。
　第1の励起回路31Aは，第1の発信用超音波素子21Aに励起電圧を印加して，周波数f1の超音波を発信させる。第2の励起回路31Bは，第２の発信用超音波素子21Bに励起電圧を印加して，周波数f2の超音波を発信させる。
　第1と第2の受信用超音波素子22A, 22Bは，それぞれ第1と第2の受信回路32A, 32Bに接続される。これら2つの受信回路32A, 32Bの出力信号は，信号処理部40内の伝播波形解析部41に入力される。
　伝播波形解析部41では，実施例１と同様の手順により，第1の受信回路32Aで受けた受信信号から第1の周波数f1での音速c1を算出し，第2の受信回路32Bで受けた受信信号から第2の周波数f2での音速c2を算出する。
　この２つの周波数での音速値を用いて，実施例１と同様の方法で粒子検出部42が異相粒子の検出・計測を行う。
　本実施例の構成によれば，複数の周波数f1, f2での音速を同時に計測できるので，より高速に固相粒子の検出が可能になるという効果がある。
　第2の効果は，２つの周波数f1，f2のそれぞれに適した超音波素子を使用できることである。これにより，周波数f1，f2が大きく異なる場合も容易に装置を構成することができる。
　実施例３の超音波計測装置20を図５を用いて説明する。
　本実施例は，周波数を時間的に掃引して音速を測定することを特徴とする。
　ｎ＝１，２，３．．．とする。時刻ｔｎにおいて，励起回路31が周波数f(tn)の励起電圧波形を出力し，超音波素子21が周波数f(tn)の超音波を発信する。受信側超音波素子22が受信した信号は，受信回路32で前処理され，信号処理部40の伝播波形解析部41に入力される。伝播波形解析部41は，音速c(tn)を算出する。
　時刻t1, t2, t3,....と時間により周波数f(tn)を切り替えていくことにより，周波数f(tn)と音速c(tn)との関係が得られる。このようにして，図２に例示したようなc-f特性を実測できる。粒子検出部42は，この実測されたc-f特性を用いて，異相粒子の検出，または異相粒子量の計測を行う。
　本実施例によれば，図２に例示したようなc-f特性曲線が実測できるので，異相粒子の粒径分布を知ることが出来るという効果がある。
　実施例４の超音波計測装置20を図６を用いて説明する。
　本実施例は，励起回路31がchirp波形（チャープ波形）の電圧波形を出力し，超音波素子21がchirp波形の超音波を発信することを特徴とする。
　chirp波形とは，周波数が時間的に変化する信号である。本実施例では，超音波の周波数を連続的に掃引できるので，高速にc-f特性が得られるという効果がある。
　本実施例では，発信側超音波素子21が発信する超音波はパルス的ではなく，連続的な超音波を発信する。
　本実施例では，伝播波形解析部41は相関関数処理部を備える。相互相関関数処理部には，励起回路31から励起波形に対応した信号が入力され，受信回路32からは受信信号が入力される。（数３）により相互相関関数Rcc(t)を算出する。相互相関関数の算出にあたっては，積分期間Tを必要な周波数分解能に応じた長さに設定する。chirp波では，周波数が時間とともに変化しているので，積分期間Tを短く設定すると，積分期間Tに含まれる周波数以外の応答も観測するので，時間分解能が低下する。
　chirp信号波形は，周波数が時間的に変化するので，伝搬遅延により応答波形が1波長以上遅れた場合でも，相互相関処理により伝搬遅延時間を正しく算出することが出来る。
　このようにして，c-f特性を実測できるので，実施例３と同様にして粒径分布などの情報を得ることが出来る。
　本実施例によれば，超音波としてパルス波ではなく，連続波を用いて，しかも，時間的に連続して周波数を掃引して音速を測定できるので，c-f特性を高速に得ることができるという効果がある。
　実施例５の 超音波計測装置を図７を用いて説明する。
　本実施例は，超音波による流速計と本発明とを組み合わせたことを特徴とする。
　図７に図示したように，本実施例では，音速測定に用いる第1の超音波素子21と第2の超音波素子22に加えて，第３の超音波素子23と第４の超音波素子24を備える。
　第３および第４の超音波素子は送受信回路34に接続される。送受信回路34は，第３の超音波素子に励起回路を接続して，第４の超音波素子に受信回路を接続した構成と，３の超音波素子に回路を接続して，第４の超音波素子に励起回路を接続した構成とを切り替えることが可能な回路である。
　第３と第４の超音波素子23, 24の間の超音波伝搬経路（すなわち，測線）と気体の流れの方向とのなす角をθとする。θが９０°にならないように超音波素子23, 24を設置する。すなわち，測線が流れの方向に直交しないように超音波素子を配置する。
　送受信回路34で受信した信号は，信号処理部40内に備えられた流速検出部46に入力される。流速検出部46は，受信信号に基づいて気体の流速Vを計測する。
　流速検出部での流速Vの計測方法はいくつか知られているが，本実施例では伝搬時間差法を用いた。具体的には下記のようにする。
　第３の超音波素子23から超音波を発信して第４の超音波素子24で受信する伝搬経路での伝搬時間をtuとする。これは，流れに逆らって進む，すなわち上流に向かって(upstream)進む超音波の伝搬時間である。逆に，第４の超音波素子24から超音波を発信して第３の超音波素子23で受信する伝搬経路での伝搬時間をtdとする。これは，流れの下流に向かって（downstream)進む超音波の伝搬時間である。超音波の音速は，流れが無い，静止気体中での音速に，気体の流速±Vが重畳されるので，上流方向の伝搬時間tuと下流方向の伝搬時間tdとの時間差が，気体の流速に対応することがわかる。気体の流れと伝搬経路とのなす角θなどを考慮すると，（数４）式で流速が求まる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
  ここで，L'gは，気体容器器壁内の超音波伝搬経路の長さである。
　（数４）の代わりに，（数６）式を用いても良い。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
ここで，τは，気体容器器壁内の超音波伝搬時間である。（数６）を用いれば，流速Vを求めるのに音速cの値が不要になる。
　ここでは，気体の流速を計測する方法として，伝搬時間差法を述べた。流速検出部では，この方法以外に，ドップラ方式や相互相関方式を用いて流速Vを計測しても良い。
　このようにして計測された気体の流速Vの情報は，流速信号出力端子から出力される。流速信号出力端子から出力される信号は，粒子検出信号と同様に，アナログ信号，デジタル信号，あるいはCPUが処理可能な論理信号などの信号形式で送信する。
　実施例６の遠心圧縮機を図８を用いて説明する。
　本実施例の遠心圧縮機301は，圧縮機主部302と超音波計測装置350，および圧縮機制御部303とから構成される。図８は，圧縮機主部302と超音波計測装置350の構成を示す図である。
　圧縮機主部302は，外側筐体312，内側筐体313，回転翼320，固定翼314，315，モータ部330を備える。
　外側筐体312と内側筐体313とは，支持部材318により同心状に固定されている。
　内側筐体313の内部には，ステータ331が固定されている。ステータ331は，ステータコア（図示せず）とステータコイル（図示せず）とで構成された電磁石である。
　内側筐体313の内側には，ジャーナル軸受324，325とスラスト軸受326が設置されており，これらの軸受によりロータが回転可能な状態で保持している。ロータ322とステータ331とで，モータ部330を構成している。
　　ロータ322上のステータ331に対応する位置には，永久磁石332が設けられているため，ステータコイルに適切な交流電流を通電して交流磁束を発生させることにより，ロータが回転する。ロータの回転数は，典型的には，20,000～50,000 rpmである。また，モータ部として誘導電動機を用いる場合には，永久磁石332は設置不要である。
　ロータ322には回転翼320が機械的に結合されており，ロータ322が回転すると回転翼320が回転する。
　外側筐体312と内側筐体313との間には，固定翼314，315が設けられている。固定翼には，気体の入力側に配置された入力側固定翼314と気体の出力側の出力側固定翼315とがある。回転翼320と固定翼314，315との間隙で構成された通気路を気体が通過する。
　回転翼320が回転すると，気体が通気路を通過するのに伴い，回転翼320と固定翼314，315との作用により気体が圧縮される。
　圧縮された気体は，外側筐体312と内側筐体313との間に形成された気体流路328を通過して，圧縮機主部302から排気される。
　なお，図８中に記載された矢印335は，気体が流れる方向を示す。
（異相粒子検出の超音波計測装置の設置場所）
　異相粒子を検出するための超音波計測装置350の設置場所を述べる。
　本実施例では，外側筐体312の気体入力側に気体導入部341が設置されている。気体導入部341に，互いに対向する配置で２つの超音波素子351，352が設けられている。気体導入部341は，内側筐体313の端部よりも気体入力側に延伸した構造であり，これにより２つの超音波素子351，352の間に遮蔽物が無くなるため，超音波の送受信が可能になる。
　超音波素子351，352は，超音波計測装置制御部355に接続されている。超音波計測装置制御部355とは，図１において，励起回路，受信回路，信号処理部，粒子検出信号端子を含むものである。第1の実施例に述べた手順と同様にして，気体導入部341中の気体の中の異相粒子を検出・計測し，計測結果を粒子検出信号端子から出力する。
（圧縮機制御部）
　図９を用いて，遠心圧縮機301の圧縮機制御部303の構成を述べる。
　圧縮機制御部303は，圧縮機主部303のモータ部330に電圧波形を給電するモータ駆動回路361と，モータ駆動回路361に接続された駆動制御部363とを備える。モータ駆動回路361は，典型的にはインバータ回路を用いる。
　駆動制御部363は，圧縮機のロータ322の回転指令値を受取り，ロータの回転が所望の動作状態になるようにモータ駆動回路361を制御する。
　本実施例では，超音波計測装置350の粒子検出信号端子44から出力された信号を，駆動制御部363に入力する。このようにして，気体中の液相粒子の存在量の情報を基にして，駆動制御部363は，圧縮機主部302のロータ322の回転状態を適切に制御する。
　具体的には，以下のように制御する。
　図１０は，圧縮機主部302のロータの回転数とモータ部330への入力エネルギーとの関係を模式的に示した図である。図１０において，回転数と入力エネルギーは，それぞれ任意単位で示してある。モータ部330，すなわち，より具体的にはステータ331への入力エネルギーを増やすとロータ332の回転数が増加する。図１０において，実線で示した特性曲線432は，気体中に液相粒子が存在しない場合の特性である。一方，図中で，点線で示した特性曲線434は，気体中に液相粒子が存在する場合の特性である。このように，液相粒子が存在すると，液相粒子が回転翼に衝突することによるエネルギー散逸により，動作特性が変化する。
　本実施例の遠心圧縮機301では，液相粒子の存在量に応じて，モータ部330への入力エネルギーを増やすことで，圧縮機の動作特性を最適な状態に保つ。
　このようにして，本実施例においては，気体に液相粒子が存在する場合でも，圧縮機の圧縮性能を低下させることなく，性能を維持できるという効果がある。
　また，液相粒子の存在量が所定の量を超えた場合には，回転翼を損傷する恐れがあるので，駆動制御部363は，圧縮機主部302のロータ回転数を低下させたり，停止させたりすることで，圧縮機の損傷を防止する。
　このように，本実施例においては，気体に過剰な液相粒子が存在する場合に，圧縮機の破損を防ぎ，信頼性を高める効果がある。
（流速計測機能）
　超音波計測装置350として，実施例５（図７）に記載した構成にして，気体流速計測機能を持たせるとさらに好ましい。この構成では，超音波計測装置から粒子検出信号と流速信号とを出力し，圧縮機制御部303に入力する。この構成では，気体の流速情報も用いることで，さらにきめ細かい遠心圧縮機の制御が可能になるという効果がある。
　本発明においては提案した実施例を単独で実施しても良いし、場合によっては複数の実施例を組み合わせて実施しても差し支えないものである。
　本発明はその精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形態で本発明を実施することができる。本明細書に記載された実施例はあくまでも例示にすぎず、限定的に解釈してはならないことは言うまでもない。
20・・・超音波計測装置，
21,22・・・超音波計測素子，
23, 24・・・超音波計測素子，
31・・・励起回路，
32・・・受信回路，
40・・・信号処理部，
41・・・伝播波形解析部，
42・・・粒子検出部，
44・・・粒子検知信号出力端子，
43・・・パラメータ記憶部，
301・・・遠心圧縮機装置，
302・・・圧縮機主部，
312・・・外側筐体，
313・・・内側筐体，
320・・・回転翼，
314,315・・・固定翼，
322・・・ロータ，
330・・・モータ部，
322・・・ロータ，
331・・・ステータ，
341・・・気体導入部，
324,325・・・ジャーナル軸受，
326・・・スラスト軸受，
328・・・気体流路，
303・・・圧縮機制御部，
361・・・モータ駆動回路，
363・・・駆動制御部，
350・・・超音波計測装置，
351,352・・・超音波素子，
355・・・超音波計測装置制御部，
501・・・気体容器，
502・・・気体，
504・・・流れの向き。

Claims (10)

  1. 　気体を計測対象とする超音波計測装置であって，
    　互いに異なる第１と第２の周波数で動作する超音波素子と，それぞれの周波数の励起波形を出力する励起回路と，それぞれの周波数で動作する伝播波形解析部とを備え，
    　前記伝播波形解析部で算出された，第１の周波数での音速と第２の周波数での音速とを用いて，前記気体中の異相粒子を検出する粒子検出部を備えた，超音波計測装置。
  2. 　請求項１に記載の超音波計測装置であって，
    　第１の周波数で動作する第１の超音波素子と，第２の周波数で動作する第２の超音波素子と，
    　第１の周波数の励起波形を出力する第１の励起回路と，第２の周波数の励起波形を出力する第２の励起回路と，
    　を備えた超音波計測装置。
  3. 　請求項１に記載の超音波計測装置であって，
    　前記励起回路は，前記第１の周波数と前記第２の周波数の間で周波数を掃引した波形を出力し，前記伝播波形解析部はそれぞれの周波数での音速を算出し，それぞれの周波数での音速を用いて，前記気体中の異相粒子を検出する粒子検出部を備えた，超音波計測装置。
  4. 　請求項３に記載の超音波計測装置であって，
    　前記励起回路は，前記第１の周波数と前記第２の周波数の間で周波数を連続的に掃引した波形を出力し，前記伝播波形解析部は音速を算出する相互相関器を備えたことを特徴とする超音波計測装置。
  5. 　請求項３に記載の超音波計測装置であって，
    　前記励起回路は，チャープ信号を用いて周波数を掃引することを特徴とする超音波計測装置。
  6. 　請求項１に記載の超音波計測装置であって，
    　第３の超音波素子と第４の超音波素子と，それぞれに接続された送受信回路を備え，前記送受信回路の出力信号に基づき前記気体の流速を計測する流速計測部を備えたことを特徴とする超音波計測装置。
  7. 　遠心圧縮機装置であって，
    　前記遠心圧縮機装置は圧縮機主部と圧縮機制御部とを備え，
    　前記圧縮機主部は，
    　外部筐体と，
    　前記外部筐体内に設置されたロータと，
    　前記ロータを回転させるためのモータ部と，
    　前記外部筐体内に設置された回転翼と固定翼と，
    　請求項１に記載の超音波計測装置と，
    　を備え，
    　前記超音波計測装置から出力される粒子検出信号が，前記圧縮機制御部に入力される遠心圧縮機装置。
  8. 　請求項７に記載の遠心圧縮機装置であって，
    　前記圧縮機制御部は，前記粒子検出信号に基づいて，前記モータ部に入力するエネルギーを変化させることを特徴とする遠心圧縮機。
  9. 　請求項７に記載の遠心圧縮機装置であって，
    　前記圧縮機主部は前記外部筐体の気体入力側に気体取込口を備え，
    　前記気体取込口は内部筐体よりも気体入力部側に延伸した構造であり，
    　前記気体取込口に，前記超音波計測装置が設置されている遠心圧縮機装置。
  10. 　気体を計測対象とする超音波計測装置の計測方法であって，
    　超音波素子を，互いに異なる第１と第２の周波数で動作させ，
    　伝播波形解析部において，それぞれの周波数で音速を算出し，
    　周波数による音速の違いに基づいて，前記気体中の異相粒子を検出する，超音波計測装置の計測方法。
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