JPH02107924A - 二相流超音波式流量測定方法及び測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、例えば蒸気のような気相と、トレンのような
液相とか、層をなして流れている管体において、上記気
相及び液相の二相それぞれの流量を測定する方法及び装
置に関する。

〈従来技術〉 一般に、蒸気とドレンとは同じ管体を流れるが、これら
上記の流量及びトレンの流量をそれぞれ測定する必要に
迫られることがある。このような場合、従来ては、第４
図に示すように、蒸気とドレンとが流れる配管ｌの中途
に蒸気専用の配管２と、ドレン専用の配管３とを設け、
蒸気は配管２に、ドレンは配管３にそれぞれ流れるよう
にし、すなわち、蒸気とトレンとをそれぞれ単相流とし
、配管２に蒸気用の流量検出センサ４を設け、配管３に
ドレン用の流量検出用センサ５を設け、蒸気とドレンと
の流量を個別に測定していた。

〈発明が解決しようとする課題〉 しかし、゛このような技術ては、蒸気とドレンとに専用
の配管２．３が必要であり、第４図に示していないが、
蒸気とドレンとを分離するためのセパレータ等の装置が
必要で、装置全体か大型になるという問題点かあった。

本発明は、蒸気のような気相と、ドレンのような液相と
をそれぞれ分離することなく流量を測定することができ
る方法及び装置を提供することを目的とする。

く課題を解決するための手段〉 上記の目的を達成するため、本発明ては、第１の相と第
２の相が階層をなして流れる管体において、第１の相側
にその流れる方向に沿って所定の間隔を隔てて第１及び
第２の超音波送受部か設けられている。第１の超音波送
受部は、流れの上流側に設けられ、第２の超音波送受部
は下流側に設けられている。そして、第１の超音波送受
部から送信された超音波は、第１及び第２の相の境界面
で反射され、第２の超音波送受部で受信される。

逆に、第２の超音波送受部から送信された超音波は第１
及び第２の相の境界面で反射され、第１の超音波送受部
で受信される。

第２の相側には、第１または第２の超音波送受部から送
信され、第１の相を通過し、第１の相と第２の相との境
界面で屈折して、第２の相側に入った超音波を受信する
第３の超音波送受部が設けられている。

第１の超音波送受部から送信され、第２の超音波送受部
で受信された超音波信号と、第２の超音波送受部から送
信され、第１の超音波送受部で受信された超音波信号と
に基づいて、第１の相の速度が演算される。また、第１
または第２の超音波送受部から送信され、第３の超音波
送受部で受信された超音波信号と、第１の超音波送受部
から送信され、第２の超音波送受部で受信されたか、あ
るいは第２の超音波送受部から送信され、第１の超音波
送受部で受信された超音波信号とに基づいて第２の相の
速度が演算される。これら第１及び第２の相の速度を用
いて、第１及び第２の相の流量が演算される。

〈作用〉 第１の超音波送受部は第１の相の上流側に設けられてい
るので、第１の超音波送受部から送信され、第２の超音
波送受部で受信された超音波信号は、第２の超音波送受
部に向う間に第１の相の速度の影響を受けて加速されて
いる。逆に、第２の超音波送受部は第１の相の下流側に
設けられているのて、第２の超音波送受部から送信され
、第１の超音波送受部で受信された超音波信号は、第１
の超音波送受部に向う間に第１の相の速度の影響を受け
て減速されている。これら加速の程度と減速の程度とは
同じである。よって、これら第１及び第２の超音波信号
検出部で受信された超音波信号を演算することによって
、第１の相の速度を演算することかできる。

第１または第２の超音波送受部から送信され、第３の超
音波送受部で受信された超音波信号は、第３の超音波信
号検出部に向う間に、第１の相の速度及び第２の相の速
度の影響を受けて、加速または減速されている。このう
ち、第１の相の速度による加速または減速の程度は、第
１または第２の超音波送受部でから送信され、第２また
は第１の超音波送受部で受信された超音波信号と同じで
ある。よって、第３の超音波送受部で受信された超音波
信号と、第１または第２の超音波送受部で受信された超
音波信号とを用いて、演算することにより、第２の相の
速度を演算することかできる。

このようにして求められた第１の相の速度及び第２の相
の速度とを用いて、第１及び第２の相の流量が演算され
る。

〈実施例〉 第１図において、１０は配管で、その内部の上方には蒸
気１２が速度ｖＩで、同図の左側から右側に流れている
。同様に、配管１０の下方にはトレン１４が速度ｖ２で
、左側から右側に流れている。

配管ｌＯの蒸気１２側には、第１の超音波送受信部１６
が設けられ、これよりも下流側に所定距離したけ隔てて
、第２の超音波送受信部１８が設けられている。第１及
び第２の超音波送受信部１６．１８は、送信または受信
した超音波が水平面となす角度を任意に変更できるよう
に図示しないホルダに支持されており、第１の超音波送
受信部１６から送信された超音波が、蒸気１２とドレン
１４との境界面で反射し、第２の超音波送受信部１８で
受信されるように、かつ第２の超音波送受信部１８から
送信された超音波が上記の境界面で反射し、第１の超音
波送受信部】６で受信される角度θ１をなすように調整
されている。この角度０．の設定方法については後述す
る。

また、ドレン１４側には、第１の超音波送受信部１６か
ら送信され、蒸気１２とドレン１４との境界面で屈折し
た超音波を受信できる位置及び角度θ２に第３の超音波
送受信部２０が設けられている。第３の超音波送受信部
２０も、上記の角度θ２を変更可能に、かつ配管ｌＯの
長さ方向に移動可能に図示しないホルダに支持されてい
る。この第３の超音波送受信部２０の設置位置及び角度
θ２の設定方法については後述する。なお、第１乃至第
３の超音波送受信部１６．１８．２０としては超音波振
動子を用い、１台で送信及び受信に兼用している。

ここで、第１及び第２の超音波送受信部１６．１８から
送信された超音波信号の境界面における反射点をＡとし
、第１及び第２の超音波送受信部１６．１８から反射点
Ａまでの距離をり、とじ、蒸気１２の静止状態における
音速をＣ□とすると、第１の超音波送受信部１６から送
信され、境界面で反射され、第２の超音波送受信部１８
で受信された超音波の周波数ｆ＋２は、蒸気１２の速度
■１の影響を受けて、 となる。逆に、第２の超音波送受信部１８から送信され
、境界面で反射され、第１の超音波送受信部１６で受信
された超音波信号の周波数ｆ２１は、蒸気１２の速度ｖ
１の影響を受けて、 となる。ｆ＋２とｆ２１との差のビート周波数Δｆ。

を取ると、 となる。ここで、文、は、 であるので、 である。従って、Δｆ＋は Ｖ、ＣＯＳ　　θ　宜 ２　ｖ　、ｃｏｓ２０＋ ・・・・（５） となり、ｙ、は、 となる。なお、Ｃ２はドレンの静止状態において、温度
と圧力とを測定し、これに基づいて演算する。よって、
（９）式より、 によって求められる。

ここで、ｆ１２とｆ２１との和のビート周波数は、とな
る。一方、スネルの法則により、ドレン１４の静止状態
における音速を０２とすると、となる。この０□となる
ように第３の超音波送受信部２０を調整し、かつ第１の
超音波送受信ｓ１６からの超音波が受信できる位置まで
、水平に第３の超音波受信部２０を移動させる。そして
、受信した超音波信号の周波数ｆ、３は、蒸気１４とド
レン１６とで加速されているので、反射点Ａから第３の
超音波送受信部２０まての距離な又。とすると、となる
。これを変形することにより、Ｖ２はＣＯＳ　　θ　２ となる。但し、１２は、配管１０の直径をＨとすると、 である。

このようにして、蒸気の速度■８、ドレンの速度ｖ２を
求めると、（Ｌ／　２　）　ｔａｎ　Ｏｌの演算を行な
って、蒸気１２が流れている部分の高さ寸法Ｈ１を求め
、Ｈ−（Ｌ／２）Ｌａｎθ、でドレンが流れている部分
の高さ寸法Ｈ２を求め、これらｖ＋　＋　Ｈ、を用いて
蒸気１２の流量を求め、ｖ２、Ｈ２を用いてドレン１４
の流量を求める。

上記のようにして、蒸気１２及びドレンの流量を測定す
るには、まず第１乃至第３の超音波送受信部１６．１８
．２０から超音波の送受信を行ない、受信された超音波
の周波数を測定する必要がある。そのため、トランシー
バ２２が設けられている。このトランシーバ２２は、例
えば第２図に示すように、ブロッキング発振回路２４、
受信増幅回路２６、検波回路２８、シュミット回路３０
、トリガ回路３２からなり、プロウキング発振回路２４
からの発振出力によって送信塁として用いている超音波
送受信部から超音波パルスを送信し、これを受信器とし
て用いている別の超音波送受信部で受信して電気信号に
変換し、これを受信増幅回路２６で受信増幅した後、検
波回路２８で検波し、シュミット回路３ｏで波形成型し
、トリガ回路３２に供給し、トリガ回路３２がブロッキ
ング発振回路２４をトリガして、ブロッキング発振回路
２４が、再び送信用の超音波送受信部に超音波パルスを
発生させるものである。そして、ブロッキング発振回路
２４が発振してから再度発振するまでの時間間隔、即ち
トリガ回路３２がトリガ信号を発生する時間間隔を測定
し、それの逆数を求めることによってｆ１□、ｆ２＋、
ｆｌｌを測定することができる。このような周波数測定
装置の構成は公知であるので、図示を省略しである。

ｆｌ２を測定する場合、第１の超音波送受信？Ａ１６を
ブロッキング発振回路２４に接続し、第２の超音波送受
信部１８を受信増幅回路２６に接続する必要がある。ま
た、ｆ２１を測定する場合、第１の超音波送受信部１６
を受信増幅回路２６に接続し、第２の超音波送受信部１
８をブロッキング発振回路２４に接続する必要がある。

また、ｆｌ：ｌを測定する場合、第１の超音波送受信部
１６をブロッキング発振回路２４に接続し、第３の超音
波送受信部２０を受信増幅回路２６に接続する必要かあ
る。そのため、スイッチ部３４．３６が設けられている
。これらスイッチ部３４は、トランシーバ２２のブロッ
キング発振回路２４に接続された端子３４ａと、受信増
幅回路２６に接続された端子３４ｂと、第１の超音波送
受信部１６に接続された端子３４ｄと、スイッチ部３６
の端子３６ａに接続された端子３４ｄを有する。スイッ
チ部３６は端子３６ａの他に、第２の超音波送受信部１
８に接続された端子３６ｂと、第３の超音波送受信部２
０に接続された端子３６ｃとを有する。ｆ　１２を測定
する場合、スイッチ部３４は制御信号によって端子３４
ａと端子３４ｃが接続され、端子３４ｂが端子３４ｄに
接続された状態に切り換わり、スイッチ部３６は、制御
信号により、端子３６ａが端子３６ｂに接続された状態
に切り換わる。ｆ２１を測定する場合、スイッチ部３４
は、制御信号によって端子３４ａが端子３４ｄに接続さ
れ、端子３４ｂが端子３４ｃに接続された状態に切り換
わり、スイッチ部３６は、制御信号によって端子３４ａ
が端子３６ｂに接続された状態に切り換わる。また、ｆ
ｌ：ｌを測定する場合、スイッチ部３４は制御信号によ
って端子３４ａと端子３４ｃが接続され、端子３４ｂが
端子３４ｄに接続された状態に切り換わり、スイッチ部
３６は、制御信号により、端子３６ａが端子３６Ｃに接
続された状態に切り換わる。

これら制御信号は、マイクロコンピュータ３８より供給
される。また、マイクロコンピュータ３８にはトランシ
ーバ２２からのｆｌ２、ｆ２１、ｆｌｆｆを表わすデー
タも供給されている。さらに、配管１０に設けられた圧
力センサ４０、温度センサ４２の出力もマイクロコンピ
ュータ３８に供給されている。これら圧力センサ４０、
温度センサ４２は、静止状態におけるドレン１４の音速
Ｃ２を算出するために設けられている。マイクロコンピ
ュータ３８は、内蔵するプログラムに従ってスイッチ部
３４．３６を制御し、トランシーバ２２や圧力センサ４
０や温度センサ４２の出力に基づいて蒸気１２、ドレン
１４のｔＩｔｎを測定する。なお、４４はマイクロコン
ピュータ３８に付属する表示部である。

第３図はマイクロコンピュータ３８の動作の概略を示す
フローチャートで、まず第１及び第２の超音波送受信部
１６．１８間の距離りをキーボード等を用いて入力する
（ステップＳ２）。次いで、トレン１４が静止している
状態で圧力センサ４０から圧力信号を、温度センサ４２
から温度信号をそれぞれ入力しくステップＳ４）、これ
ら温度信号及び圧力信号に基づいて静Ｉト状態における
トレンの音速Ｃ２を演算する（ステップＳ６）。なお、
演算する代りに、ＲＯＭ等に様々な圧力信号及び温度信
号とに対応する各音速を記憶させておき、入力された温
度信号及び圧力信号に対応する音速Ｃ２を読み出すよう
にしてもよい。

次にスイッチ部３４．３６を切り換えて、ｔｓｌの超音
波送受信部１６を送信状態に、第２の超音波送受信部１
８を受信状態とする（ステップＳ８）。これに次いで、
トランシーバ２２を作動状態とし、第２の超音波送受信
部１８で超音波が受信できるか判断しくステップ５ＩＯ
）、この答かＹＥＳになるまでこのステップＳＩＯを繰
返す、この間に、人手によって第１及び第２の超音波送
受信部１６．１８の角度０１の調整が行なわれる。

ステップＳＩＯの答がＹＥＳになると、そのときの角度
θ、をキーボードによって入力しくステップ５１２）、
トランシーバ２２からｆ□２を入力する（ステップ５１
４）。

次に、スイッチ部３４．３６を切り換えて、第１の送受
信部１６を受信状態に、第２の超音波送受信部１８を送
信状態としくステップＳ　１６）　、　ｆ　２＋をトラ
ンシーバ２２から入力する（ステップ５１８）。そして
、上述した（６）式に基づいて上記の速度ｖＩを演算す
る（ステップ５２０）。

そして、上述した式（１０）に基づいて、０□を求め、
これを例えば表示部４４に表示する（ステップ５２２）
、次に、スイッチ部３４．３６を切り換えて、第１の超
音波送受信部１６を送信状態に、第３の超音波送受信部
２０を受信状態とする（ステップ５２４）。この間に、
人手により第３の超音波送受信部２０に角度θ２をとら
せるように調整する。そして、第３の超音波送受信部２
０で超音波が受信てきているか判断しくステップ５２６
）、この答が°ＹＥＳになるまでこのステップ３２６を
繰返す。この間に第３の超音波送受信部２０を人手によ
り水平方向に移動させ、ステップＳ２６の答がＹＥＳに
なるようにする。

ステップＳ２６の答がＹＥＳになると、トランシーバ２
２からｆ１３を入力しくステップ５２８）、これに続い
て上述した式（１１）に基づいてドレンの速度ｖ２を演
算する（ステップ５３０）。

最後に、Ｈ，、Ｉ（２を演算し、ｖ、、ｖ２を用いて蒸
気１２、ドレン１４の流量を演算する。

上記の実施例では、第３の超音波送受信部２０は、第１
の超音波送受信部１６から送信された超音波を受信する
ように構成したが、第２の超音波送受信部１８から超音
波を送信し、これを受信するように構成してもよい。そ
の場合、ｖ２の演算は、第２の超音波送受信部から送信
され、第３の超音波送受信部で受信された超音波の周波
数をｆ２３とすると、Ｖ２は ｃｏｓ　　θ２ て演算される。

また、上記の実施例では第１及び第２の超音波送受信部
を蒸気側に設けて、まず蒸気の速度を求め、第１の超音
波送受信部から送信した超音波をドレン側に設けた第３
の超音波送受信部２０で受信し、そのとき測定した周波
数ｆｌ＋、と先に測定したｆ＋２とを用いて、ドレンの
速度■２を求めたが、第１及び第２の超音波送受信部を
ドレン側に設け、第１または第２の超音波送受信部から
送信され、蒸気とドレンの境界面でドレン側に°反射さ
れた超音波を第２または第１の超音波送受信部で受信し
て、（６）式と同様な式でドレンの速度を求め、第３の
超音波送受信部を蒸気側に設け、第１または第２の超音
波送受信部から送信され、境界面で屈折して、第３の超
音波送受信部で受信された超音波の周波数と、第１の超
音波送受信部から送信したと送信し、第２の超音波送受
信部で受信された超音波の周波数または第２の超音波送
受信部から送信し、第１の超音波送受信部で受信された
超音波の周波数とを用いて、蒸気の速度を演算するよう
にしてもよい。

さらに、上記の実施例では、第１の超音波送受信部から
送信し、第２の超音波送受信部で受信したときの周波数
と、第２の超音波送受信部で送信し、第１の超音波送受
信部で受信したときの周波数との差を用いて蒸気の速度
を演算したが、第１の超音波送受信部１６から送信し、
第２の超音波送受信部１８で受信するまでの時間と、第
２の超音波送受信部１８で送信し、第１の超音波送受信
部１６で受信するまでの時間との差を測定し、これを用
いて蒸気の速度を演算をしてもよい。無論、この場合、
ドレンの速度の演算に用いるため、第１の超音波送受信
部から送信され第３の超音波送受信部で超音波が受信さ
れるまでの時間を測定する。

〈発明の効果〉 以上のように、本発明のよる方法及び装置によれば、蒸
気とドレンのような二相流が流れている状態で、これら
の流量をそれぞれ測定することができる。従って、蒸気
とドレンとを分離するためのセパレータや、分離された
蒸気とドレンとをそれぞれ流すための配管が不要となり
、流量の測一定に用いる装置を小型化することができる
。

また、本発明の装置を、蒸気使用装置とスチームトラッ
プとの間の特にスチームトラップに近い側に設けると、
蒸気使用装置での蒸気使用量（ドレン発生量）及びスチ
ームトラップでの蒸気漏減量を知ることができ、る。ま
た、蒸気使用装置の入口側に設けると、蒸気の消費量及
びドレンの混入量を知ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による二相流超音波式流量測定装置の一
実施例の概略構成図、第２図は同実施例で使用するトラ
ンシーバのブロック図、第３図は同実施例に使用したマ
イクロコンピュータの動作フローチャート、第４図は従
来の蒸気とドレンとの流量測定装置の概略構成図である
。 １０・・・・・・配管（管体）、１６・・・・・第１の
超音波送受信部、１８・・・・第２の超音波送受信部、
２０・・・・・第３の超音波送受信部、３８・・・・・
・マイクロコンピュータ（演算手段）。 特許出願人　株式会社　チイニルライ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）それぞれ異なる第１及び第２の相が層をなして流
   れる管体において第１の相側に第１の相が流れる方向に
   沿って間隔を隔てて配置された第１及び第２の超音波送
   受部のうち、上流側にある第１の超音波送受部から基準
   値で送信され、下流側にある第２の超音波送受部で受信
   され、第１の相の速度によって上記基準値よりも値が変
   動している超音波信号と、第２の超音波送受部から上記
   基準値で送信され、第１の超音波送受部で受信され、第
   １の相の速度によって上記基準値よりも値が変動してい
   る超音波信号に基づいて第１の相の速度を演算する段階
   と、 第１または第２の超音波送受部から送信され第１及び第
   ２の相を通過し上記管体の第２の相側に設けられた第３
   の超音波送受部で受信され第１の相及び第２の相の速度
   によって基準値よりも値が変動している超音波信号と、
   第１及び第２の超音波送受部の一方から送信され他方で
   受信された超音波信号とに基づいて、第２の相の速度を
   演算する段階と、 第１の相速度に基づいて第１の相の流量を、第２の相速
   度に基づいて第２の相の流量をそれぞれ演算する段階と を具備する二相流超音波式流量測定方法。
2. （２）それぞれ異なる第１及び第２の相が層をなして流
   れる管体において第１の相側に第１の相が流れる方向に
   沿って間隔を隔てて配置され、相互間において第１の相
   を通過して第２の相の表面で反射された超音波信号を送
   受信する第１及び第２の超音波送受部と、 上記管体の第２の相側に設けられ第１または第２の超音
   波送受部から送信され、第１の相及び第２の相を通過し
   た超音波信号を受信する第３の超音波送受部と、 第１の超音波送受部から基準値で送信され、第１の相の
   速度によって基準値よりも値が変動して第２の超音波送
   受部で受信された超音波信号と、第２の超音波送受部か
   ら基準値で送信され、第１の相の速度によって基準値よ
   りも値が変動して第１の超音波送受部で受信された超音
   波信号とに基づいて、第１の相の速度を演算する手段と
   、第１の超音波送受部または第２の超音波送受部から基
   準値で送信され、第３の超音波送受部で受信され第１及
   び第２の相の速度の影響を受けている超音波信号と、第
   １及び第２の超音波送受部の一方から送信され他方で受
   信された超音波信号に基づいて、第２の相の速度を演算
   する手段と、第１の相の速度に基づいて第１の相の流量
   を、第２の相の速度に基づいて第２の相の流量を、それ
   ぞれ演算する手段と、 を具備する二相流超音波式流量測定装置。