JP7603221B2 - 物質分布測定装置、物質分布の測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、物質分布測定装置、物質分布の測定方法に関する。

工場等で用いられている配管や反応槽等の物質処理装置の内部では、流動性を有する材料の搬送や、各種処理が行われており、長期間連続操業が行いながらも、定期的なメンテナンス作業により管理されている。流動性を有する材料は、スラリーや、液体、粉体等であり、物質処理装置の内部で搬送や各種処理を行う際、物質処理装置の内壁等に付着物が生じる場合があった。

例えば配管に付着した付着物の厚さを評価する方法について従来から検討がなされている。特許文献１には、ボイラー管の下端を閉塞し、管内に常温より温度差のある非常温流体を充填し、管内に充填された非常温流体の温度と、所定時間後の管外壁の温度との差を求めてスケールの付着状態を判定することを特徴とするボイラー管の付着スケール測定方法が開示されている。

特開２０１０－１７５５２９号公報

物質処理装置の内壁等に生じた付着物は、程度によっては物質処理装置の安定した操業の妨げになる恐れがある。このため、物質処理装置の外被の内表面に付着した物質の物質分布を測定し、適切なタイミングでメンテナンス作業を行う必要があり、物質処理装置の外被の内表面に付着した物質の物質分布を評価できる物質分布測定装置が求められていた。

そこで上記従来技術が有する問題に鑑み、本発明の一側面では、物質処理装置の外被の内表面に付着した物質の物質分布を評価できる物質分布測定装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明の一態様によれば、
物質処理装置の外被に沿って伝播するように境界波を発生させる境界波発生手段と、
前記外被に沿って伝播した前記境界波を受信する複数の受信手段と、
前記複数の受信手段が受信した前記境界波のデータに基づいて、前記外被の内表面に付着した物質の物質分布を求める演算部と、を有し、
前記演算部は、前記複数の受信手段が受信した前記境界波のデータから算出した分散曲線と、前記外被の内表面に付着した物質の物質分布の予測パターンに基づいて算出される理論分散曲線とを対比し、前記外被の内表面に付着した物質の物質分布を求める物質分布測定装置を提供する。

本発明の一態様によれば、物質処理装置の外被の内表面に付着した物質の物質分布を評価できる物質分布測定装置を提供することができる。

本開示の一態様に係る物質分布測定装置の模式図。 本開示の一態様に係る物質分布測定装置の上面図。 鉄板におけるＬａｍｂ波のＡ_０モードの理論分散曲線。 鉛板におけるＬａｍｂ波のＡ_０モードの理論分散曲線。 厚さ４ｍｍの鉄板についての測定結果と理論分散曲線。 厚さ６ｍｍの鉄板についての測定結果と理論分散曲線。

以下、本発明を実施するための形態について図面を用いながら説明するが、本発明は、下記の実施形態に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、下記の実施形態に種々の変形および置換を加えることができる。
［物質分布測定装置］
図１、図２に、本実施形態の物質処理装置の構成例を示す。図１は、本実施形態の物質分布測定装置１０を物質処理装置１００に取り付けた状態における、物質分布測定装置１０を通る面での断面図を示している。図２は、図１の物質分布測定装置１０をブロック矢印Ａに沿って見た上面図であり、演算部１３や、配線の記載は省略して示している。

本実施形態の物質分布測定装置や後述する物質分布測定方法を好適に適用できる物質処理装置についてまず説明を行う。
（１）物質処理装置
物質処理装置１００は、スラリーや、液体、粉体等の流動性を有する各種材料の搬送や、処理等を行う装置、管であればよく、例えば、工場等で用いられる反応槽や、各種処理装置、配管等が挙げられる。

物質処理装置１００は、外被１０１と、外被１０１で囲まれた内部領域１０２とを有することができる。外被１０１の材料は特に限定されないが、本実施形態の物質分布測定装置１０によれば、外被１０１の硬度が高い材料であっても、外被１０１の内表面に付着した物質の物質分布を測定できる。このため、外被１０１は、例えば金属および樹脂から選択された１種類以上の材料を含むことができ、外被１０１は、金属製または樹脂製とすることもできる。

そして、外被１０１で囲まれた内部領域１０２内で流動性を有する材料の搬送や、処理等を行うことで、外被１０１の内表面にスケール等の析出物である物質１０３が生じ、付着している。本実施形態の物質分布測定装置１０によれば、外被１０１の内表面に付着した係る物質１０３について、厚さ等の物質分布を測定できる。ここでいう外被１０１の内表面とは、外被１０１で囲まれた内部領域１０２側の表面であり、物質処理装置１００において、各種材料の搬送や処理がなされている側の面を意味する。
（２）物質分布測定装置
本発明の発明者らは、物質処理装置の外被の内表面に付着した物質の物質分布を測定できる物質分布測定装置について検討を行った。検討を行う中で、非破壊で測定を行える弾性波に着目した。

弾性波の一種として、実体波が挙げられる。しかし、物質処理装置の外被は通常、金属等で形成されており、金属等により形成された外被を実体波が伝播する速度は非常に速い。このため、物質処理装置の外被を伝播した実体波を受信手段で受信することは困難であり、実体波を用いた物質分布測定装置とすることは困難であった。

そこで、本発明の発明者らはさらに検討を行い、弾性波の一種である境界波を用いることで、物質処理装置の外被の内表面に付着した物質の物質分布を測定できることを見出し、本発明を完成させた。

図１に示すように、本実施形態の物質分布測定装置１０は、境界波発生手段１１と、受信手段１２と、演算部１３とを有することができる。

以下、本実施形態の物質分布測定装置が有する各部材について説明する。
（２－１）境界波発生手段
境界波発生手段１１は、物質処理装置の外被に沿って伝播するように境界波を発生させることができる。

境界波発生手段１１の構成は特に限定されず、所定の境界波を発生させることができる手段であればいいが、例えばハンマーや、圧電素子等が挙げられる。境界波発生手段１１は、例えば物質処理装置１００の外被１０１に対して、振動や衝撃を加えることで物質処理装置１００の外被１０１に沿って伝播するように、境界波を発生させることができる。

なお、境界波発生手段１１は、境界波を発生させるタイミングや、受信手段１２により外被を伝播した境界波を受信するタイミングを制御するため、演算部１３や、別に設けた制御装置と接続しておくこともできる。

境界波は、固体と気体や、固体と液体の境界を伝播し、周波数ごとに異なる速度で伝播する分散性を有している。本実施形態の物質分布測定装置が用いる境界波の種類は特に限定されない。ただし、通常物質処理装置の外被は板状であり、外被に付着する物質も外被に沿うように形成される。このように測定対象が板状体であることから、測定精度を高める観点から、境界波は、例えば板波の一種であるＬａｍｂ波であることが好ましい。

境界波発生手段１１により発生させる境界波の周波数は特に限定されず、測定対象の厚さや測定に用いる境界波のモード等に応じて選択できる。境界波発生手段１１により発生させる境界波の周波数は２００Ｈｚ以上３０００Ｈｚ以下であることが好ましく、５００Ｈｚ以上２０００Ｈｚ以下であることがより好ましい。
（２－２）受信手段
本実施形態の物質分布測定装置１０は、境界波発生手段１１で発生させ、物質処理装置１００の外被１０１に沿って伝播した境界波を受信する複数の受信手段１２を有することができる。

受信手段１２は境界波を受信できる手段であればよく、例えば地震計や光ファイバー型センサ（Distributed Acoustic Sensing; DAS）等を用いることができる。

境界波は周波数ごとに異なる速度で伝播する分散性を有する。このため、物質処理装置１００の外被１０１に複数の受信手段１２を設け、各周波数の境界波の伝播速度を測定できるように構成することが好ましい。

具体的には、境界波発生手段１１から、各受信手段１２までの距離が異なるように、複数の受信手段１２を配置することが好ましく、例えば複数の受信手段１２は、物質処理装置１００の外被１０１の表面に一列に配列することが好ましい。具体的には例えば、図２に示すように、直線Ｌ上に複数の受信手段１２を配列できる。

複数の受信手段１２の間の距離Ｌ_１２は特に限定されず、受信手段１２のサンプリング周波数や、用いる境界波の周波数領域等に応じて選択できる。

後述するように、物質処理装置１００の外被１０１の内表面に付着した物質の物質分布から、境界波の理論分散曲線を算出できる。そして、受信手段１２で測定した、各周波数の境界波の伝播速度から求めた境界波の分散曲線と、上記理論分散曲線とを対比することで、物質処理装置１００の外被１０１の内表面に付着した物質の物質分布を求めることができる。

このため、受信手段１２は、物質処理装置１００の外被１０１の表面のうち、外被１０１の内表面に付着した物質の物質分布を測定することが求められる領域を含むように配置することが好ましい。

受信手段１２は、演算部１３と接続しておき、測定したデータを供給できるように構成することが好ましい。演算部１３は、後述するように、受信手段１２が受信したデータをもとに分散曲線を作成し、理論分散曲線と対比し、外被１０１の内表面に付着した物質の物質分布を求めることができる。
（２－３）演算部
演算部１３は、複数の受信手段１２が受信した境界波のデータに基づいて、外被１０１の内表面に付着した物質の物質分布を求めることができる。

ここで、例えばＬａｍｂ波は、以下の式（１－１）、式（１－２）にあるＲａｙｌｅｉｇｈ－Ｌａｍｂ周波数方程式で示される。

なお、式中のｐ、ｑは以下の式（２－１）、式（２－２）で表される。

式中のｋは波数、２ｈは平板の厚さ、ωは角周波数、Ｖ_ＰはＰ波速度、Ｖ_ＳはＳ波速度である。

式（１－１）、式（１－２）はそれぞれ対称モード、反対称モードの分散関係式であり、これらを満たすｋは同一周波数で複数存在し、それらはＬａｍｂ波の異なる次数のモードに対応する。

ここで、図３に、一般的な鉄の弾性波速度であるＶ_Ｐ＝６０００ｍ／ｓ、Ｖ_Ｓ＝３０００ｍ／ｓを仮定して計算を行ったＬａｍｂ波のＡ_０モードの理論分散曲線を示す。なお、Ａ_０モードは、式（１－２）の解から導出される反対称モードの基本モードに対応する分散曲線である。図３中に凡例で示した鉄板の厚さ毎に理論値を計算した。図３からも確認できるように、板が厚いほど同一の周波数における位相速度が速くなり、板が薄いほど位相速度が遅くなることを確認できる。

また、図４に、一般的な鉛の弾性波速度であるＶ_Ｐ＝２０００ｍ／ｓ、Ｖ_Ｓ＝７００ｍ／ｓを仮定して計算を行ったＬａｍｂ波のＡ_０モードの理論分散曲線を示す。図３、図４の比較から、Ｖ_Ｐ、Ｖ_Ｓが速いほど、Ｌａｍｂ波の位相速度が速くなることを確認できる。

以上の様に、材料の弾性波速度や、厚さにより、理論分散曲線は変化する。このため、受信手段１２で受信した境界波のデータに基づいて、外被１０１の内表面に付着した物質の物質分布を求められる。具体的には受信手段での境界波の測定データと、例えば外被１０１の内表面に付着していると考えられる物質についての理論分散曲線と対比することで、外被１０１の内表面に付着した物質の物質分布を求められる。

具体的な対比例を図５、図６に示す。図５は厚さが４ｍｍの鉄板について、本実施形態の物質分布測定装置を用いて測定した結果となる。図６は厚さが６ｍｍの鉄板について、本実施形態の物質分布測定装置を用いて測定した結果となる。

図５、図６中、白黒のカラーマップでシグナルの大きさを示し、色が白いほどシグナルが大きいことを示す。黒点は周波数ごとに最も大きいシグナルの点となっている。また、図５、図６には、凡例で示した鉄板の厚さ毎の理論分散曲線をあわせて示す。

図５における各周波数の測定したシグナルの最大値は、板厚が４ｍｍの鉄板の理論分散曲線とほぼ一致することが確認できる。図６における各周波数の測定したシグナルの最大値は、板厚が６ｍｍの鉄板の理論分散曲線とほぼ一致することが確認できる。すなわち、受信手段での境界波の測定データと、外被１０１の内表面に付着していると考えられる物質についての理論分散曲線と対比することで、外被１０１の内表面に付着した物質の物質分布を求められることを確認できた。

ここでは、外被を介さず直接被測定物を測定した例を示しているが、外被を介して測定した場合でも、同様に測定データと、理論分散曲線とを比較することで、外被の内表面に付着した物質の物質分布を求められる。

このため、演算部１３は、複数の受信手段１２が受信した境界波のデータから算出した分散曲線と、外被１０１の内表面に付着した物質の物質分布の予測パターンに基づいて算出される理論分散曲線とを対比し、外被１０１の内表面に付着した物質の物質分布を求められる。

なお、ここではＬａｍｂ波のＡ_０モードを例に説明したが、Ａ_０モードを用いる場合に限定されず、用いる境界波の周波数帯を変化させ、他のモードで外被の内表面に付着した物質の物質分布を予測することもできる。

演算部１３の構成は特に限定されないが、上述のように受信手段１２が受信した境界波のデータ処理や、受信手段１２等との通信が行えるように、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）や、主記憶装置、補助記憶装置、入出力インターフェース等を有することができる。

主記憶装置としてはＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）や、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）が、補助記憶装置としてはＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）や、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）等が挙げられる。入出力インターフェースとしては、境界波発生手段１１や、受信手段１２等との間で制御信号や、データをやり取りするための通信インターフェースが挙げられる。通信インターフェースの種類は特に限定されず、例えば有線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）や、無線ＬＡＮ等が挙げられる。

以上に示した本実施形態の物質分布測定装置によれば、物質処理装置の外被の内表面に付着した物質の物質分布を評価することができる。
［物質分布測定方法］
次に、本実施形態の物質分布測定方法について説明する。なお、本実施形態の物質分布測定検査方法は、既述の物質分布測定装置を用いて好適に実施することができる。このため、既に説明した事項については一部説明を省略する。

また、本実施形態の物質分布測定方法を適用する物質処理装置についても物質分布測定装置の中で既に説明したため、ここでは説明を省略する。

本実施形態の物質分布測定方法は、境界波発生工程と、受信工程と、演算工程とを有することができる。

各工程について以下に説明する。
（１）境界波発生工程
境界波発生工程は、物質処理装置の外被に沿って伝播するように、境界波発生手段により境界波を発生させることができる。

境界波発生手段の構成は特に限定されず、所定の境界波を発生させることができる手段であればいいが、例えばハンマーや、圧電素子等が挙げられる。

本実施形態の物質分布測定方法が用いる境界波の種類は特に限定されないが、境界波は、例えばＬａｍｂ波であることが好ましい。

境界波発生手段１１により発生させる境界波の周波数は特に限定されない。例えば境界波発生手段１１により発生させる境界波の周波数は２００Ｈｚ以上３０００Ｈｚ以下の範囲内にあることが好ましく、５００Ｈｚ以上２０００Ｈｚ以下の範囲内にあることがより好ましい。
（２）受信工程
受信工程は、外被に沿って伝播した境界波を複数の受信手段により受信できる。

境界波は周波数ごとに異なる速度で伝播する分散性を有する。このため、受信工程では、物質処理装置１００の外被１０１に複数の受信手段１２を設け、各周波数の境界波の伝播速度を測定できるように構成することが好ましい。

具体的には、境界波発生手段１１から、各受信手段１２までの距離が異なるように、複数の受信手段１２を配置することが好ましく、例えば複数の受信手段１２は、物質処理装置１００の外被１０１の表面に一列に配列することが好ましい。具体的には例えば、図２に示すように、直線Ｌ上に複数の受信手段１２を配列できる。
（３）演算工程
演算工程は、複数の受信手段が受信した境界波のデータに基づいて、外被の内表面に付着した物質の物質分布を求めることができる。

演算工程では、複数の受信手段１２が受信した境界波のデータから算出した分散曲線と、外被の内表面に付着した物質の物質分布の予測パターンに基づいて算出される理論分散曲線とを対比し、外被内部に付着した物質の物質分布を求めることができる。

以上に示した本実施形態の物質分布測定方法によれば、物質処理装置の外被の内表面に付着した物質の物質分布を評価することができる。

１０ 物質分布測定装置
１１ 境界波発生手段
１２ 受信手段
１３ 演算部
１００ 物質処理装置
１０１ 外被
１０２ 内部領域

Claims (10)

1. 物質処理装置の外被に沿って伝播するように境界波を発生させる境界波発生手段と、
   前記外被に沿って伝播した前記境界波を受信する複数の受信手段と、
   前記複数の受信手段が受信した前記境界波のデータに基づいて、前記外被の内表面に付着した物質の物質分布を求める演算部と、を有し、
   前記演算部は、前記複数の受信手段が受信した前記境界波のデータから算出した分散曲線と、前記外被の内表面に付着した物質の物質分布の予測パターンに基づいて算出される理論分散曲線とを対比し、前記外被の内表面に付着した物質の物質分布を求める物質分布測定装置。
2. 前記複数の受信手段は、前記外被の表面に一列に配列されている請求項１に記載の物質分布測定装置。
3. 前記境界波がＬａｍｂ波である請求項１または請求項２に記載の物質分布測定装置。
4. 前記境界波発生手段により発生させる前記境界波の周波数が５００Ｈｚ以上２０００Ｈｚ以下である請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の物質分布測定装置。
5. 前記外被が金属および樹脂から選択された１種類以上を含む請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の物質分布測定装置。
6. 物質処理装置の外被に沿って伝播するように、境界波発生手段により境界波を発生させる境界波発生工程と、
   前記外被に沿って伝播した前記境界波を複数の受信手段により受信する受信工程と、
   前記複数の受信手段が受信した前記境界波のデータに基づいて、前記外被の内表面に付着した物質の物質分布を求める演算工程と、を有し、
   前記演算工程では、前記複数の受信手段が受信した前記境界波のデータから算出した分散曲線と、前記外被の内表面に付着した物質の物質分布の予測パターンに基づいて算出される理論分散曲線とを対比し、前記外被の内表面に付着した物質の物質分布を求める物質分布の測定方法。
7. 前記複数の受信手段は、前記外被の表面に一列に配列されている請求項６に記載の物質分布の測定方法。
8. 前記境界波がＬａｍｂ波である請求項６または請求項７に記載の物質分布の測定方法。
9. 前記境界波発生手段により発生させる前記境界波の周波数が５００Ｈｚ以上２０００Ｈｚ以下である請求項６から請求項８のいずれか１項に記載の物質分布の測定方法。
10. 前記外被が金属および樹脂から選択された１種類以上を含む請求項６から請求項９のいずれか１項に記載の物質分布の測定方法。

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