JPH11125548A - 超音波蒸気流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】配管を流れる蒸気、特に飽和蒸気の流量を、配
管に中心軸を挟んで所要角度をつけて対抗して設けられ
た超音波送受波器を用いて測定する装置において、圧力
の変化も検出するようにした超音波蒸気流量計に関す
る。 【解決手段】測定蒸気の標準圧力を含む許容圧力範囲に
対応する各超音波信号の最大伝搬時間と最小伝搬時間と
による正常伝搬時間範囲を定めるゲートパルスを発生せ
しめるゲートパルス発生手段と、前記測定蒸気を伝搬す
る二方向の超音波信号の伝搬時間と前記ゲートパルスに
よって設定された前記正常伝搬時間範囲とを比較する比
較手段と、この比較手段が前記測定蒸気を伝搬する超音
波信号の二方向のいずれか一方の伝搬時間が、前記ゲー
トパルスによって設定された正常伝搬時間範囲から外れ
たことを検知した場合に、制御等に影響を及ぼさないよ
うに出力信号を調整するか又は警報信号を送出するもの
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、配管の中を流れる
蒸気の流量を、超音波を用いて測定する超音波蒸気流量
計に関するもので、特に蒸気又は飽和蒸気の圧力変化及
び蒸気の発生停止時に起る流量計の測定圧力保証範囲以
外での誤動作を避けるようにした超音波蒸気流量計に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の超音波蒸気流量計は、図４に示す
ように配管１の中心線Ｍを挟んで対向すると共に、この
中心線Ｍに対し所定角度θをもって配管１の内面に一対
の超音波送受波器からなる検出器２ａ，２ｂを設置し、
配管１内を流れる蒸気に対し、その蒸気を横断するよう
に検出器２ａ，２ｂ相互間で交互に超音波信号を発射す
る。一方の検出器２ａ又は２ｂから発射された超音波信
号は配管１内の蒸気の流れに影響を受けて、蒸気の流れ
に対して順方向の場合と逆方向とで他方の検出器２ｂ又
は２ａに到達するまでの伝搬時間に差が生じる。この超
音波信号の各伝搬時間や、この両者の伝搬時間差等を測
定部３で計測して、配管１内を流れる蒸気の流速を求
め、その流速から蒸気の流量を算出するものである。

【０００３】この蒸気流速の測定原理は、検出器２ｂか
ら超音波信号を発射し検出器２ａで受波する場合、即ち
蒸気の流れ（Ａ方向）に対して略順方向の超音波信号の
伝搬時間ｔ1 と、検出器２ａから超音波信号を発射し検
出器２ｂで受波する場合、即ち蒸気の流れ（Ａ方向）に
対して略逆方向の超音波の伝搬時間ｔ2 とを測定する。
この伝搬時間ｔ1 ，ｔ2 は、それぞれ式（１），式
（２）により表される。ただし、Ｌは検出器２ａと２ｂ
との間の距離，Ｃは蒸気の音速（蒸気を伝搬する超音波
信号の速度）、Ｖは蒸気の流速、θは配管１の中心軸に
対する検出器２ａと２ｂとの取付角度である。

【０００４】

【数１】 従って、（１）（２）式から、蒸気の流速Ｖは、次式
（３）によって求められる。

【数２】

【０００５】このような超音波蒸気流量計により流量を
測定する場合、この配管１を流れる蒸気の圧力制御を必
要とする場合がある。例えば飽和蒸気により産業用ロボ
ットを制御する場合、或いは暖房用の熱源として使用す
る場合などである。このような場合、飽和蒸気の圧力の
変化により、それら装置が正常に動作しなくなったり、
或いは流量計が誤動作するなどの問題を生じることがあ
る。また、飽和蒸気の流れが止まり、配管１内の飽和蒸
気が空気に替わってしまうことにより、前述したと同様
な問題を生じることがある。そのため、従来は配管１か
ら圧力検出用の管４を導出し、その管４に圧力スイッチ
５或いは圧力計（図示せず）を設け、蒸気の圧力が所定
の圧力範囲から外れた場合は、圧力スイッチ５のオン・
オフ状態を切り替え、ブザー等による可聴信号、或いは
点滅ランプ等による可視信号などの警報を生じさせた
り、或いは圧力の自動調整を行う制御手段を動作させて
いた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、配管１
に圧力検出用の管４を設けたり、圧力スイッチ５或いは
圧力計を設置することは設備の複雑化と共に、設備コス
トの上昇を招くという問題があった。また、飽和蒸気が
流れていたものが、何等かの事故により蒸気が止まり、
配管１内を空気が流れている場合でも、圧力が所定の範
囲に入っていれば、空気を蒸気の流量として測定してし
まうという問題があった。本発明は、従来のように圧力
測定のための管４や、圧力スイッチ５などを設けること
なく、前述した問題点を解決するようにしたものであ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明による超音波蒸気
流量計は、蒸気を一方から他方に通す配管と、該配管の
中心線を挟んで対向しかつ中心線に対して所定角度をも
って配管内面に配置された一対の超音波送受波器と、該
超音波送受波器相互間で超音波信号を交互に送受信する
ように制御すると共に、該超音波信号の二方向のそれぞ
れの伝搬時間差から蒸気の流速を測定し当該蒸気の流量
を算出する測定部とを備えた超音波蒸気流量計におい
て、前記測定部に、測定蒸気の許容圧力範囲に対応する
前記各超音波信号の最大伝搬時間と最小伝搬時間とによ
る正常伝搬時間範囲を定めるゲートパルスを発生せしめ
るゲートパルス発生手段と、前記測定蒸気を伝搬する前
記二方向の超音波信号の伝搬時間と前記ゲートパルスに
よって設定された前記正常伝搬時間範囲とを比較する比
較手段とを備え、該比較手段が前記測定蒸気を伝搬する
超音波信号の前記二方向のいずれか一方の伝搬時間が前
記ゲートパルスによって設定された正常伝搬時間範囲か
ら外れたことを検知した場合に、検出結果に応じて測定
の誤出力を避けるため、出力のホールドや、出力ゼロ
等、エラーの場合に出力信号を調整したり、警報信号を
送出するようにしたことを特徴とするものである。

【０００８】

【発明の実施の形態】図１は本発明による超音波蒸気流
量計を説明する模式図を示すもので、配管１及び配管１
の内周面に設けられた一対の超音波送受波器からなる検
出器２ａ，２ｂは、図４に示した従来例と同じである。
なお、配管１内を流れる飽和蒸気等の測定対象蒸気は、
例えば、矢印Ａの方向に流れるよう設置されている。こ
の検出器２ａ，２ｂ相互間で授受される超音波信号の各
伝搬時間は、測定部１１によって測定されるものである
が、本発明は検出器２ａ，２ｂ相互間の超音波信号の各
伝搬時間が、所定の標準圧力の許容圧力範囲に対応して
設定される所定の時間範囲（正常伝搬時間範囲）内にあ
るか否かを検知して、蒸気の圧力が許容圧力範囲外に変
化したか否か、或いは飽和蒸気が空気に替わったか否か
を検出するようにしたものである。

【０００９】即ち、測定蒸気の圧力は、標準圧力の上下
に許容圧力範囲が設定されるが、この許容圧力範囲の最
大圧力点と最小圧力点とに対応して、検出器２ａ，２ｂ
相互間の超音波信号の最小伝搬時間と最大伝搬時間とを
設定し、この正常伝搬時間範囲に対応するゲートパルス
を作成する。そして、検出器２ａ，２ｂ相互間の超音波
信号の伝搬時間が、ゲートパルスで設定された正常伝搬
時間範囲から外れた場合に、制御に影響を及ぼす流量計
の誤動作を防ぎ、プザーなどの可聴信号或いは点滅ラン
プなどの可視信号等による警報を発生して、配管１内の
飽和蒸気の圧力が許容圧力範囲から外れたことを告知し
たりして、測定範囲外での流量計の誤動作を未然に防
ぎ、その影響が制御まで及ぼさないようにしたものであ
る。

【００１０】従って、本発明における測定部１１は、従
来の測定部３に超音波信号の正常伝搬時間範囲を設定す
るゲートパルスを発生せしめるゲートパルス発生手段
と、検出器２ａ，２ｂ相互間の超音波信号の伝搬時間ｔ
1 又はｔ2 がこのゲートパルスによって設定された正常
伝搬時間範囲にあるか否かを判断する比較手段とが設け
られ、この比較手段によって超音波信号の伝搬時間が正
常伝搬時間範囲から外れたことを検出したときに、これ
を報知する警報装置を測定部１１と一体的に、或いは別
の場所に設けるようにしたものである。なお、蒸気の音
速は温度によって変化するため、温度によってゲートパ
ルスを補正する必要がある。蒸気の音速Ｃは、次の式
（４）により表される。ただし、Ｃ* は蒸気固有の音速
定数、Ｔは温度である。

【数３】

【００１１】図２は、配管１内を流れている測定対象の
飽和蒸気圧力が、その飽和蒸気の音速と許容圧力範囲と
によって予め設定された正常伝搬時間範囲（ゲートパル
ス幅）内にある場合と、外れている場合を例示したもの
である。先ず、前述した正常伝搬時間範囲であるゲート
パルス幅をＴと設定し、図２（ｅ）に示してある。この
ゲートパルスＴは、飽和蒸気の許容圧力範囲の最大値の
ときの音速をＣmax ，飽和蒸気の許容圧力範囲の最小値
のときの音速をＣmin ，最大流速をＶmax とすると、

【００１２】

【数４】 となるので、ゲートパルス幅は ｔmin ＜ Ｔ ＜ｔma
x とすればよい。

【００１３】そして、測定対象の飽和蒸気の圧力が、正
常圧力の場合を図２（ａ）、圧力低下の場合を図２
（ｂ），圧力上昇の場合を図２（ｃ），測定対象の飽和
蒸気の発生が停止し、配管内は空気に替わった場合を図
２（ｄ）にそれぞれ示してある。なお、受信波形の検出
時点は、１．５波目を受信したときとしている。先ず、
図２（ａ）の正常圧力の場合は、例えば、飽和蒸気が静
止状態（ａ-1）の超音波の伝搬時間（受信波到達時間）
をｔとし、飽和蒸気が流れている状態で流れＡに順方向
（ａ-2）の伝搬時間をｔ1 とし、飽和蒸気が流れている
状態で流れＡに逆方向（ａ-3）の伝搬時間をｔ2 として
示され、いずれの状態でも伝搬時間ｔ，ｔ1 ，ｔ2 は、
ゲートパルスＴ（正常伝搬時間範囲）内であり、飽和蒸
気の圧力は正常であると判断される。

【００１４】また、図２（ｂ）の圧力低下の場合は、例
えば、飽和蒸気が静止状態（ｂ-1）の超音波の伝搬時間
（受信波到達時間）をｔとし、飽和蒸気が流れている状
態で流れＡに順方向（ｂ-2）の伝搬時間をｔ1 とし、飽
和蒸気が流れている状態で流れＡに逆方向（ｂ-3）の伝
搬時間をｔ2 として示される。従って、この状態では、
飽和蒸気が静止状態（ｂ-1）の伝搬時間ｔと、飽和蒸気
が流れている状態で流れＡに逆方向（ｂ-3）の伝搬時間
ｔ2 とは、ゲートパルスＴ（正常伝搬時間範囲）の遅い
方に外れており、飽和蒸気の圧力は許容圧力範囲から低
い方に外れていると判断される。また、図２（ｃ）の圧
力上昇の場合は、例えば、飽和蒸気が静止状態（ｃ-1）
の超音波の伝搬時間（受信波到達時間）をｔとし、飽和
蒸気が流れている状態で流れＡに順方向（ｃ-2）の伝搬
時間をｔ1 とし、飽和蒸気が流れている状態で流れＡに
逆方向（ｃ-3）の伝搬時間をｔ2 として示される。従っ
て、この状態では、飽和蒸気が静止状態（ｃ-1）の伝搬
時間ｔと、飽和蒸気が流れている状態で流れＡに順方向
（ｃ-2）の伝搬時間ｔ1 とは、ゲートパルスＴ（正常伝
搬時間範囲）の早い方にから外れており、飽和蒸気の圧
力は許容圧力範囲から高い方に外れていると判断され
る。

【００１５】なお、前述の３つの例、図２（ａ）〜図２
（ｃ）では、飽和蒸気の静止状態についても波形図を示
してあるが、実際は飽和蒸気の流れに順方向の伝搬時間
ｔ1と、飽和蒸気の流れに逆方向の伝搬時間ｔ2 とを検
出することにより、飽和蒸気の圧力が許容圧力範囲から
外れているか否かを検出するものである。また、順方向
の伝搬時間ｔ1 と逆方向の伝搬時間ｔ2 とは、図３に示
した本発明に係る一部分のフローチャートに基づき検出
することができる。即ち、順方向の伝搬時間ｔ1 と逆方
向の伝搬時間ｔ2 とを、伝搬時間測定部１２a ，１２b
でそれぞれ測定し、測定された伝搬時間ｔ1 と予め設定
されている許容圧力範囲の最小値ｔmin とを比較部１３
a で比較し、比較結果がYes であれば、測定された伝搬
時間ｔ2 と予め設定されている許容圧力範囲の最大値ｔ
max とを比較部１３a で比較する。比較部１３a の比較
結果と比較部１３b の比較結果のいずれかがNOの場合
は、出力制御部１４により飽和蒸気の圧力調整を行う
か、警報信号を送出して管理者に状況変化を告知するよ
うにする。比較部１３a の比較結果と比較部１３b の比
較結果のいずれもがYes の場合は、飽和蒸気が正常圧力
であると判断し、流速測定部１５で順方向の伝搬時間ｔ
1 と逆方向の伝搬時間ｔ2 との伝搬時間差により流速Ｖ
を算出し、流量を測定する。

【００１６】また、図２（ｄ）は、飽和蒸気が空気に替
わった場合を示しているもので、空気が静止状態（ｄ-
1）においても超音波の伝搬時間（受信波到達時間）ｔa
ir が、ゲートパルスＴ（正常伝搬時間範囲）の遅い方
に外れることになり、配管１内を流れている測定対象の
飽和蒸気が空気に替わったことが検知できる。なお、飽
和蒸気の圧力が低下したために伝搬時間（受信波到達時
間）ｔ又はｔ2 がゲートパルスＴ（正常伝搬時間範囲）
から外れたのか、飽和蒸気が空気に替わったために伝搬
時間（受信波到達時間）ｔair がゲートパルスＴ（正常
伝搬時間範囲）から外れたのかの区別は、ゲートパルス
Ｔの設定如何でおおよその判断をすることができる。こ
の飽和蒸気が空気に替わったことが検出された場合は、
警報信号を送出して管理者に状況変化を告知するように
する。

【００１７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は飽和蒸気
を伝達する超音波の伝搬時間が、飽和蒸気の圧力によっ
て変化すること、及び空気の超音波の伝搬時間が飽和蒸
気の伝搬時間よりも遅いことに着目し、超音波の伝搬時
間が所定の伝搬時間範囲から外れているか否かを検知す
ることによって、飽和蒸気の音速又は配管内を流れる蒸
気の転換を検知するものであるため、従来のように配管
内の飽和蒸気の圧力を直接的に測定する手段を設ける必
要がなく、測定装置をシンプルに構成することができる
と共に、コスト上昇を招くことがないなどの効果を奏す
るものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の超音波蒸気流量計を説明する模式図で
ある。

【図２】本発明における飽和蒸気の圧力変化、又は空気
への転換を検知する検知例を説明する波形図である。

【図３】本発明における超音波の伝搬時間を測定して、
基準値と比較する場合のフローチャートである。

【図４】従来技術を説明する模式図である。

【符号の説明】

１ 配管 ２a ，２b 検出器 ３，１１ 測定部 ４ 管 ５ 圧力スイッチ １２a ，１２b 伝搬時間測定部 １３a ，１３b 比較部 １４ 出力制御部 １５ 流速測定部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 蒸気を一方から他方に通す配管と、該配
   管の中心線を挟んで対向しかつ中心線に対して所定角度
   をもって配管内面に配置された一対の超音波送受波器
   と、該超音波送受波器相互間で超音波信号を交互に送受
   信するように制御すると共に、該超音波信号の二方向の
   それぞれの伝搬時間差から蒸気の流速を測定し当該蒸気
   の流量を算出する測定部とを備えた超音波蒸気流量計に
   おいて、 前記測定部に、 測定蒸気の許容圧力範囲に対応する前記各超音波信号の
   最大伝搬時間と最小伝搬時間とによる正常伝搬時間範囲
   を定めるゲートパルスを発生せしめるゲートパルス発生
   手段と、 前記測定蒸気を伝搬する前記二方向の超音波信号の伝搬
   時間と前記ゲートパルスによって設定された前記正常伝
   搬時間範囲とを比較する比較手段とを備え、 該比較手段が前記測定蒸気を伝搬する超音波信号の前記
   二方向のいずれか一方の伝搬時間が前記ゲートパルスに
   よって設定された正常伝搬時間範囲から外れたことを検
   知した場合に、検出結果に応じて制御等に影響を及ぼさ
   ないように出力信号を調整するか、又は警報信号を送出
   するようにしたことを特徴とする超音波蒸気流量計。