JPH09257704A

JPH09257704A - ボイド計

Info

Publication number: JPH09257704A
Application number: JP9617196A
Authority: JP
Inventors: Shoichi Matsushima; 庄一松島; Nobuyuki Kanda; 信之神田
Original assignee: TOKYO KEISOKU KK
Current assignee: TOKYO KEISOKU KK
Priority date: 1996-03-26
Filing date: 1996-03-26
Publication date: 1997-10-03

Abstract

(57)【要約】【課題】流れている液体中に気体や蒸気などによる気泡
が発生している場合の、所謂気液二層流の、気泡通過個
数、ボイド率、気泡通過速度等を正確に測定するボイド
計に関する。【解決手段】発光回路１２と，受光回路１３と、一端が
それぞれ発光回路１２と受光回路１３とに接続され他端
が相互に所定間隔をおいて対向して配置されて測定部１
７を構成する一対の光ファイバー１５，１６と、両光フ
ァイバー１５，１６の対向する部分の測定部１７で気泡
による光透過量に変化が生じたことを受光回路１３で検
出されたときこの変化を気泡通過情報として処理する波
形整形回路２０，ゲート回路２１と、カウンター回路２
２，パルス幅演算回路２３，速度演算回路２４などから
構成される気泡検出回路とを備え、この気泡検出回路に
より所定時間内の気泡通過個数、ボイド率又は気泡通過
速度を測定するように構成したものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流れている液体中
に気体や蒸気などによる気泡が発生している場合の、所
謂気液二層流又は気液混相流の、気泡通過個数、ボイド
率、気泡通過速度等を測定するボイド計に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】気液二層流に関して様々な研究がされて
おり、この研究にボイド計が使用される。例えばダムの
放流管や下水管などの管路を水平に設置し、上流側にゲ
ートを設け、そこを流出してくる水と、給気口より流入
する空気との混在する流れの研究、或いは都市の密集化
に伴う狭い土地の有効活用のために、地上の河川の流量
調節や氾濫を防ぐための地下河川を設ける場合、地上河
川と地下河川とを渦流式の下水管縦シャフトで繋いでい
るが、この縦シャフトの直径や管路の長さを変えた時の
流入空気量や流況観察の研究、洪水到達時間の短い小型
ダムは、水位上昇にゲート操作時間が間に合わない場合
があり、その非常用として自由越流形式の洪水吐が設け
られるが、この越流水は堤体の途中の堤趾導流壁で減勢
され空気と混じり合いながら水路に流出するもので、こ
の時の堤趾導流水路内の空気濃度分布の研究などがあ
る。

【０００３】また実用面においては、原子炉の冷却、キ
ャビテーションによるポンプ効率への影響、液化天然ガ
スの蒸気発生器、ボイラ、熱交換器において気泡発生に
よる熱伝達率への影響などの測定に、ボイド計が使用さ
れているが、従来のボイド計は図５に示すような点電極
ボイド率計が主に用いられていた。この点電極ボイド率
計は、ボイドプローブに針状の電極を用い、気相と液相
の電気伝導率の差によって生じる信号を検出することに
より、ボイド率（ボイド率＝全気泡の存在／測定時間
（気泡の割合））を測定するものである。これを図面に
基づいて説明する。図５において、１は電極で先端部電
極２と外周部電極３とから構成されている。４は電源、
５は抵抗器、６は抵抗器５の電圧変化を検出する電圧計
である。

【０００４】図６は電極１と気泡７との位置関係による
検出電圧の変化を示すもので、図６（ａ）は図６（ｂ）
に示す電極１と気泡７との位置関係に基づく電圧波形を
示すものである。即ち、図６（ｂ）のように先端部電極
２に気泡７が接触しない状態（Ａ）では、電圧計６は図
６（ａ）に示すように一定の低電圧であるが、先端部電
極２に気泡７が接触（Ｂ）し、更に接触が深まると
（Ｃ）と電圧が高くなり、先端部電極２が気泡７を突き
抜けて気泡により覆われる範囲が最大（Ｄ）になるまで
上昇する。そして突き抜けて外周部電極に達した後
（Ｅ）は急速に電圧が降下し、気泡７が先端部電極２を
通過して外周部電極３に達すると（Ｆ）、当初の低電圧
に戻るものである。従って、この電圧波形（検出信号）
を方形波パルスに波形整形し、方形波パルスの時間幅を
内部クロックによって測定してボイド率を求め、また、
通過気泡数は設定測定時間中の方形波パルスの総数で表
すことができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ボイド
プローブに針状の電極１を用いた場合は、水などの流体
が電極１を避けて流れようとする乱流が生じ、気泡７が
正常な形で電極１に衝突しない状態が生じる場合があ
る。特に、流速が早いほど、また気泡７が小さいほど先
端部電極２から外れ易くなり、測定に誤差が生じるとい
う問題がある。また、気泡の大きさが小さい場合は、電
極間の電位変化が小さく検出が困難になる場合があり、
測定誤差を生じる問題もある。本発明は、液体の流れの
中に、針状の電極１などの障害物を設置しないで、気泡
の混在状態を検出することができるもので、測定精度の
向上を図ることができる。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明によるボイド計
は、発光回路と，受光回路と、一端がそれぞれ前記発光
回路と受光回路とに接続され他端が相互に所定間隔をお
いて対向して配置されて測定部を構成する一対の光ファ
イバーと、該両光ファイバーが対向する部分の測定部で
気泡により光透過量に変化が生じたことを前記受光回路
で検出されたときこの変化を気泡通過情報として処理す
る気泡検出回路とを備え、該気泡検出回路により所定時
間内の気泡通過個数、ボイド率又は気泡通過速度を測定
するように構成されたものである。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明の一実施例を図１のブロッ
ク回路図にもとづいて説明する。図１において、１１は
発信回路、１２は発光回路、１３は受光回路、１４は気
泡のセンサー部で、一端が発光回路１２に接続された光
ファイバー１５と、一端が受光回路１３に接続された光
ファイバー１６との各他端が所定間隔で対向配置されて
測定部１７が形成されている。１８は増幅回路、１９は
同期検波回路、２０は波形整形回路、２１はゲート回
路、２２はカウンター回路、２３はパルス幅計測回路，
２４は速度演算回路、２５はディジタル表示部で、２５
１は気泡通過個数、２５２はボイド率、２５３は気泡通
過速度を表示する。２６，２７，２８はディジタル・ア
ナログ変換回路（Ｄ／Ａ変換回路）、２９は気泡通過個
数のアナログ出力（電圧出力）端子、３０はボイド率の
アナログ出力（電圧出力）端子、３１は気泡通過速度の
アナログ出力（電圧出力）端子、３２はシリアル変換回
路、３３は通信回線に気泡通過個数，ボイド率及び気泡
通過速度のデータを送出するＲＳ−２３２Ｃインタフェ
ースへの伝送出力端子である。

【０００８】なお、気泡のセンサー部１４は、例えば図
２の斜視図に示す構造を有するもので、柄３４の部分は
高さ，幅，厚さがそれぞれ約１４０mm，９０mm，４５mm
程度で持ち易い大きさである。また、柄３４の下側には
測定台などに取り付け易いように鍔部３５が設けられ、
その下方に取付けられた長さ４５０mm、太さ１０mm程度
の長尺のパイプ３６を通して光ファイバー１５，１６が
測定部１７まで案内されているが、この両光ファイバー
１５，１６の長尺パイプ３６から測定部を形成する先端
部までの部分は、細いパイプ３７１，３７２をそれぞれ
湾曲形状に整形し、その内部に光ファイバー１５，１６
を通して図面に示すような形状を維持するようにしてあ
る。この湾曲形状のパイプ３７１，３７２は例えばステ
ンレスのような変形や歪みが生じないような材質であっ
て、同種の材質の長尺パイプ３６に堅固に固着されてい
る。

【０００９】光ファイバー１５，１６は複数の極細ファ
イバーを束にしたもので、その外径は例えば２mm，３mm
或いはそれ以上１０mm程度のものを用意し、測定液体に
生じる気泡の大きさにより適宜選択して用いるようにし
てもよい。また、湾曲形状のパイプ３７１，３７２と共
に相互に対向する測定部１７の間隔は１０mm程度或いは
それ以上で、その端面は研磨等により極めて高い平面精
度に加工することが望ましい。なお、センサー部１４の
柄３４の部分に、図１に示した回路構成のうち発信回路
１１，発光回路１２，受光回路１３，増幅回路１８，同
期検波回路１９を内蔵させ、図２に示すようにコネクタ
３８を介して波形整形回路２０に接続させることによ
り、光ファイバーの長さを短縮して測定効率を向上させ
るなどの手段を講じることも望ましい。

【００１０】次に本発明の前記実施例の動作を説明す
る。センサー部１４の測定部１７を測定液体の流れ方向
に直角に交わるように配置し、発信回路１１を起動させ
ることにより発光回路１２から発光された透過光は、光
ファイバー１５の端面から測定部１７を流れる液体を通
して、受光回路１３に接続された光ファイバー１６の端
面に向けて発光される。この透過光は受光回路１３で受
光されて電圧出力として検出され、増幅回路１８で増幅
して波形整形回路２０に出力される。この増幅回路１８
の出力は、同期検波回路１９により発信回路１１が動作
状態にあるときだけ出力される。

【００１１】光ファイバー１５からの透過光は測定部１
７を流れる液体（水）に気泡を含んでいるか、含んでい
ないかにより透過光量が変化する。図３（ａ）（ｂ）は
測定部１７の間を気泡７が通過する際の、受光回路１３
による検出電圧の変化状態を示しているもので、気泡７
が測定部１７に到達する前の測定部１７から外れた位置
ａにある場合は、透過光量が所定のレベルにあるが、気
泡が進行し位置ｂのように測定部１７にその一部が差し
掛かると、気泡により光透過率が低下（減衰）するため
受光回路１３の検出電圧は低下しはじめ、更に気泡７が
進んで測定部１７の全体を覆った位置ｃの状態、即ち、
両光ファイバー１５，１６の端面全体に気泡存在してい
る状態になると、透過光量は更に低下し受光回路１３の
検出電圧は、この気泡通過時の最低の検出電圧となる。
気泡７が更に進行しその一部が測定部１７から外れた位
置ｄになると、透過光量が徐々に増加して検出電圧は、
前述の位置ｂと同様な電圧まで上り、測定部１７から気
泡全体が外れた位置ｅになり測定部１７が液体（水）だ
けになると、当初の所定の検出電圧になる。

【００１２】測定部１７の気泡７の通過により受光回路
１３で検出され増幅された図３（ｂ）に示す電圧波形
は、波形整形回路２０において図３（ｃ）に示すように
極性反転した後、所定のレベルと比較し図３（ｄ）に示
すように波形整形し、気泡７の検出信号（パルス信号）
として出力される。この気泡７の測定は、ゲート回路２
１によって予め設定された任意の時間を単位として測定
される。気泡の通過個数の測定は、図４に示すゲート回
路２１によって設定される、例えば０．１ｓ（秒）〜１
０００ｓの間の所望のゲート時間の間に通過する検出信
号Ｔ1 ，Ｔ2 ，Ｔ3 ，Ｔn の数をカウンター回路２２で
計数し、ディジタル表示装置２５１に表示させ、またＤ
／Ａ変換回路２６により電圧に変換してアナログ出力端
子２９に出力される。

【００１３】ボイド率の測定は、ゲート回路２１によっ
て設定されるゲート時間の間に通過した気泡の検出信号
の各パルス幅を、パルス幅計測回路２３により積算し、
ゲート時間に対する全気泡通過時間の比率として求める
ものである。このパルス幅計測回路２３の出力であるボ
イド率は、ディジタル表示装置２５２に表示させ、また
Ｄ／Ａ変換回路２７により電圧に変換してアナログ出力
端子３０に出力される。気泡の通過速度の測定は、速度
演算回路２４で求めるもので、最初にパルス幅計測回路
２３により測定された全気泡通過時間を、カウンター回
路２２で計数された気泡の通過個数で除算して気泡の平
均通過時間を求め、次にこの気泡の平均通過時間を光フ
ァイバー１５又は１６の直径（距離）で除算して気泡通
加速度を求めるものである。即ち、気泡の通過速度Ｖ
は、次式によって求められる。

【００１４】Ｖ＝ｄ／Ｔただし、ｄは光ファイバー１５又は１６の直径、Ｔは気
泡の平均通過時間で、各気泡の通過時間Ｔ1 ＋Ｔ2 ＋Ｔ
3 ＋Ｔn をその通過個数Ｎで割ったものである。この速
度演算回路２４の出力である気泡通加速度は、ディジタ
ル表示装置２５３に表示させ、またＤ／Ａ変換回路２８
により電圧に変換してアナログ出力端子３１に出力され
る。なお、前述した気泡通過個数，ボイド率及び気泡通
過速度は、各測定回路の出力データをシリアル変換回路
３２でシリアルデータとして、ＲＳ２３２Ｃインタフェ
ースへの出力端子３３に出力し、データ管理センターな
どの管理部門に伝送することもできる。

【００１５】本発明のボイド計の基本的構成及び動作は
前述した通りであるが、測定する流体や気泡の発生状況
によってセンサー部１４の光ファイバー１５，１６の直
径や当該光ファイバー１５，１６の相互間隔を適宜選択
することにより、測定精度を高めることができる。例え
ば、気泡が小さい場合は光ファイバーの直径が比較的に
小さく、気泡が大きい場合は光ファイバーの直径が大き
いことが望ましい。また、測定する液体の透明度が低
く、その光透過率が気泡の光透過率に比較して小さい場
合は、波形整形回路２０において気泡の検出波形を反転
させる必要はない。

【００１６】

【発明の効果】以上詳細に説明したように本発明によれ
ば、液体中の気泡測定通路に従来のように障害物となる
針状の電極を設置する必要がないため、気泡の流れは液
体の流れと共に他の事象に何等影響を受けることなく、
自然の状態（あるがままの状態）で測定することができ
る。また、従来例では気泡が小さい場合、検出レベルが
低く測定誤差を生じさせ易い問題があったが、本発明は
気泡の大小に関係なく常に正確な検出が可能である。従
って、測定精度の向上を図ることができ、気液二層流に
関する様々な研究における正確な分析結果を得ることが
でき、また液体を用いる各種装置やシステムにおける制
御，管理等を適切に行うことを可能にしたものである。
また、従来例は導電性の測定液体を対象とするものであ
るが、本発明のボイド計は、導電性と非導電性のいずれ
の液体にも適用することができる利点も有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のボイド計の一実施例のブロック回路図
である。

【図２】本発明に用いられるセンサー部の一実施例の外
観斜視図である。

【図３】本発明のボイド計における気泡検出状態の説明
図である。

【図４】本発明のボイド計における気泡測定例の説明図
である。

【図５】従来のボイド計の一例を示す模式的回路図であ
る。

【図６】従来のボイド計における気泡検出状態の説明図
である。

【符号の説明】

１電極２先端部電極３外周部電極４電源５抵抗器６電圧計７気泡１１発振回路１２発光回路１３受光回路１４センサー部１５，１６光ファイバー１７測定部１８増幅回路１９同期検波回路２０波形整形回路２１ゲート回路２２カウンター回路２３パルス幅計測回路２４速度演算回路２５ディジタル表示装置２６，２７，２８Ｄ／Ａ変換回路２９気泡通過個数アナログ出力端子３０ボイド率アナログ出力端子３１気泡通過速度アナログ出力端子３２シリアル変換回路３３伝送出力端子３４センサー部の柄３５センサー部の鍔部３６長尺のパイプ３７１，３７２湾曲形状のパイプ３８コネクタ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】発光回路と，受光回路と、一端がそれぞ
れ前記発光回路と受光回路とに接続され他端が相互に所
定間隔をおいて対向して配置されて測定部を構成する一
対の光ファイバーと、該両光ファイバーの対向する部分
の測定部で気泡により光透過量に変化が生じたことを前
記受光回路で検出されたときこの変化を気泡通過情報と
して処理する気泡検出回路とを備え、該気泡検出回路に
より所定時間内の気泡通過個数、ボイド率又は気泡通過
速度を測定するように構成されたボイド計。
【請求項２】前記気泡検出回路が波形整形回路と、ゲ
ート回路と、カウンター回路とから構成され、所定時間
内に前記測定部を通過する気泡数を測定するようにした
請求項１記載のボイド計。
【請求項３】前記気泡検出回路が波形整形回路と、ゲ
ート回路と、パルス幅計測回路とから構成され、所定時
間内に前記測定部を通過する気泡の割合（ボイド率）を
測定するようにした請求項１記載のボイド計。
【請求項４】前記気泡検出回路が波形整形回路と、ゲ
ート回路と、カウンター回路と、パルス幅計測回路と、
速度演算回路とから構成され、所定時間内に前記測定部
を通過する気泡の速度を測定するようにした請求項１記
載のボイド計。