JPS5965247A - 圧電湿気測定装置 - 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】 本発明は一般には検出製筋′に関し、詳しくいうと、固
体壁の一例の雰囲気の湿気を測定するための新規な、有
用な湿気測定装置に関する。

重油およびタールサンドは在来の原油産出量の減少を補
充するために産出量が年に増加している未開発の液体炭
化水素資諒を代表するものである。

しかしながら、これら埋蔵物は、経済的に採算のとれる
量で生産井へ流すためには、加熱して油の粘度を減じる
必要がある。現在の主流をなす加熱方法は蒸気を連続的
にまたは間欠的に注入することである。

蒸気が長い注入パイプを通って注入されるときに、石油
埋蔵物をおおう岩石表土（厚さ１５０゜ないし２１ｏｏ
ｍ）によってかなりの景の熱エネルギが奪われる。初期
の頃の蒸気注入事業においては、石油価格が安価であっ
たためこの熱損失を防止するために費用をかけることは
妥当でなかったが、石油の価格が高くなった（１バレル
当り３０ドル以上）今日では、坑井への蒸気注入パイプ
に断熱材を施こしても採算がとれるようになっている。

絶縁状態を決定するだめの、特にある部材とともに使用
された絶縁体が破損したか否かを決定するだめのいくつ
かの方法が知られている。そのような方法は熱電対、サ
ーミスタ、温度計、光高温計あるいは赤外線カメラを使
用して表面温度を実時間監視またはサービス監視するこ
とを含む。

部材が流体を運ぶように設計されている場合には、入力
および出力流体温度を監視するシステムがまた、絶縁体
の完全性を決定するのに使用できる。その上、パワー出
力対燃料消費量、すなわち効率を測定することによって
も、絶縁体の劣化が効率を低下させることになるので、
絶縁体の状態を知ることができる。

上記した方法はすべて、いったん部材が周囲温度に冷却
すると、もはや熱破壊を示す根拠が存在しなくなる。こ
れら方法は実時間中に実施されなければならず、従って
実時間監視が可能であり、実行できる場合に限られる。

絶縁体の完全性を直接確認するあるいはこの完全性を推
定するオフ・ライン熱試験方法も知られている。この場
合には試験するために部材を設備から取り出す。

一方法では、誘導加熱器の使用により誘起された熱流を
赤外線カメラあるいは他の温度感知装置で監視する。他
の方法では、熱効率が測定される試験ループ中に部材が
附かれる。

前に過熱状態になった部材の状態あるいはこの部材のあ
る部分の状態を監察することによって熱破壊がオフ・ラ
イン方式で推定できる。目視検査によっても、例えば過
熱による部材のそりのような激しい劣化は分る。通常の
表面外観の変色もまた、熱破壊の糸口となる。

タールサンドおよび頁岩から油を取出すだめの、絶縁（
断熱）された蒸気注入管として知られた絶縁管は十分な
効率を確保する有効な断熱材を有さねばならない。この
管は地殻中に数百フィートの長さで蒸気を注入し、粘稠
な炭化水素を流体状態に変えるために使用される。管の
熱的完全性を保証し、高価な熱損失あるいは費用のかか
る管の取出しおよび取替えを防止することが非常に重要
である。熱的完全性を決定する非破壊法が欠陥のある管
の使用を防止するために必要とされる。欠陥のある管は
必ず湿気をもたらすから、絶縁室内に設置された小さな
湿気検出器は各管に対する迅速な安価な検査を提供する
ことになる。

そのような管は内側管と外側管間に環状空間を形成する
同軸の内側管および外側管よりなり、この環状空間には
断熱材のような絶縁手段が挿入され、かつ真空を得るた
めにこの空間は排気されている。同軸の内外管間に絶縁
体を使用することは例えば米国特許第３．５７４．３５
７号および第５、４７８．７８３号に開示されている。

本発明は容量性湿気センサからなり、このセンナは圧電
結晶を使用してセンサと直接の電気的接触のないＭｅ取
り手段を提供する。本発明は超音波伝送が可能である任
意の湿気測定応用例に使用できる。本発明は、管の完全
性をチェックする独特の、整固な方法を提供するので、
特に絶縁された蒸気注入管の検査に対して有用である。

本発明によれば、−組の接近、離間状態の導電性板体が
簡Ｊｌ′Ｉ外電子回路を通じて圧電結晶に接続されてい
る。この圧電結晶は絶縁室の内壁に接合され、音響的に
結合されている。圧電結晶は超音波圧力波を絶縁室の外
壁に加えることによって励起できる。圧電結晶の端子に
発生される電気信号は’！ＶＴ（１５性板体を含む回路
を駆動する。導電性板体のキャパシタンスは回路の電気
ｔＨ性に影響を与える。導電性板体間の気体の湿気含有
量は導電性板体のキャパシタンスに著るしい影響を与え
るから、超音波装置が外側から湿気含有材を測定するの
に使用できる。

本発明の一実施例は導電性板体と並列に接続された誘導
コイルを含む。これは圧電結晶を同調させる並列共振回
路を形成する。その後湿気含有量が圧電結晶の共振周波
数を測定することによって決定される。この超音波によ
る測定は掃引周波数変調パルス発生器および自動ピーク
信号検出器を使用することによって自動化できる。装置
の感度を高めるために直列共振インダクタおよび他の受
動回路を導電性板体と組合せてもよい。

本発明の他の実施例は発揚器のような能動回路を組み入
れて湿気測定値を感知し、送信する。この場合に、絶縁
室の内側に位置付けされた圧電結晶にエネルギを送信す
るのに比較的低周波数の超音波が使用できる。圧電結晶
は超音波を電圧および電流に変換する。回路はこの電気
１８号を受信、整流し、発振器に供給する。湿気感知容
置を有する導電性板体は比較的高周波の振動を制御する
。

発振器信号はその後圧電結晶に供給される。これは管壁
を通って外部のトランスジューサに容易に送信できる超
音波を提供する。従って、再送信された周波数の単純な
測定により絶縁室の内側の湿気含有量の測定が行なえる
。超音波信号を受信し、送信するだめの圧電結晶および
回路形態の（重々の組合せがある。

従って、本発明の目的は固体壁部材の一側の雰囲気の湿
気を１４１！定するだめの湿気測定装置を提供すること
であり、この湿気測定装置は表面が壁部側の一側と対面
した状態でこの壁部側に音響的に結合された圧電結晶と
、離間された板部材を有し、これら板部材間の空間が前
記雰囲気に露出されているコンデンサと、圧電結晶およ
び板部材に接続され、かつ発振器の周波数を制御するよ
うに動作する回路とを含む。発振器の信号は圧電結晶に
供給され、圧η（−結晶は壁部材を通ってトランスジュ
ーサに達する音波を発生する。再送信された周波数は回
路の同調をとるということができるコンデンサの板部材
間の湿気含有量によって制御される。

本発明の他の目的はコンデンサに並列に接続されたイン
ダクタを使用する受動回路が前記雰囲気の湿気の変化に
よって変化される共振周波数を有する回路を形成する上
記のような装置を提供することである。

本発明の他の目的は固体壁部材の反対側の湿気を測定す
るだめの、設計が簡単で、頑強な構成を有し、かつ経済
的に製造できる測定装置を提供することである。

以下、本発明の好ましい実施例について添付図面を参照
して詳細に説明する。

第１図には総括的に参照番号１０で指示された湿気測定
または検出装置からなる本発明の実施例が示されている
。この装置は内側壁すなわち内側管１４と外側壁すなわ
ち外側管１６間の絶縁体層１２の湿気の存在を検出する
。管１４．１６および絶縁体層１２は油井中へ蒸気を注
入するだめの、総括的に参照番号２０で指示された絶縁
された蒸気注入管の形式のものでよい。

装置、それ自体は圧電結晶２２を含む。圧電結晶２２は
例えば水晶である。図示するように、圧電結晶２２は電
極すなわち板体２４および２６を含む。圧電軸はこれら
電極間に延在するように選択され、従って圧電結晶はい
わゆるＸカットと呼ばれる電極面を有する。結晶２２の
電極２４．２６は後記する回路２８に接続されている。

回路２８は一対の離間された板部材３２および３４を有
するコンデンサ３０に接続されている。

板部側３２と３４間の空間は外側壁１６の一側の絶縁体
層１２の雰囲気にさらされている。

板部材３２および３４はそれぞれ複数の平行なかつ相互
に離間された板より形成されている。

本発明によれば、圧電結晶２２は電子計測器３８に接続
された超音波トランスジューサ３６により励起される。

超音波計測器３８およびトランスジューサ３６は既知の
形式のものである。

超音波周波数を有する信号をトランスジューサ３６に供
給することによって音波は壁１６を通過して圧電結晶２
２を振動させる。この効果を高めるだめに、圧電結晶２
２は壁１６の内表面に接合され、音響的に結合されてい
る。超音波は同じ周波数を有する電気信号に変換され１
回路２８により処理されてコンデンサ３０に供給される
。絶縁体層１２内の雰囲気の湿気含有量はコンデンサ３
０のキャパシタンスに影響を与えるから、環体の内部の
回路のインピーダンスは影響を受ける。

このインピーダンスの変化はトランスジューサ３６を使
用する電子計測器３Ｂによって検出でき、トランスジュ
ーサ３６がその共振周数数で励起されたときに検出化分
を提供する。絶縁体層１２内に湿気のない所望の雰囲気
が存在すると、１つの応答が得られ、他方、絶縁体の欠
陥あるいは劣化を指示する絶縁体層１２に湿気があると
、異なる応答が得られる。

第２図を参照すると、回路２８の一例が示されており、
この回路２８はインダクタンスＬを有する並列接続され
たインダクタ４０である。コンデンサ３０は可変である
ように図示されているが、この変化は絶縁体層の雰囲気
の任意の変化、特にその湿気含有量の変化によって生じ
る。第２図の回路は固有周波数、または共振周波数ω。

を有する発に益として機能する。この周波数は次の関係
に従って確立される。

内壁１４と外壁１６間の雰囲気が既知の湿気のない状態
の場合には、固有または共振周液数が知−サ３６が圧１
１℃結晶２２をその固有周波数で励起すると、回路応答
のピークが発生される。第２図の回路の固有周波数が湿
気のないときの値とは相違する場合には、特に、湿気の
増加によりキャパシタンスが減少した場合には、高くな
った固有周波数が発生され、圧電結晶２２に供給される
周波数を共振が測定される前にずらす必要が生じる。

この目的のだめ、電子計測器３８は掃引周波数変調パル
ス発生器および自動ピーク信号検出器を具（！：ｉｊ　
Ｌ得る。このような装置の一例はテクトロニクス・モデ
ル５０４として知られている。

第３図を参照すると、キャパシタンスの変化は圧電結晶
を、湿気含有量の測定のために感知できる応答を提供す
るように、同調させる。圧電結晶に発生された′電圧は
回路を付勢する。電圧があるレベルに上昇した時点を検
出器が検出し、発振器が信号を送り返すようにこの発振
器を切換え、その周波数を計測器３８で読取る。

コンデンサの代りに、湿気の変化に従ってインピーダン
スを変化させる他の任意の湿気感知インピーダンス手段
が使用できる。例えば、湿気感知抵抗あるいは塩化リチ
ウム湿気セルが使用できる。

インピーダンスは非直線のおよび直線の電気特性を含む
ものである。

また、用語「超音波」および「音波」は本明細書では互
換性をもって使用されており、可聴の範囲内にある音波
あるいは圧力波だけでなく、可聴の範囲外の圧力波も意
味し、媒体を通じて伝送できる任意の圧力波を一般に意
味するものである。

内側管と外側管との間の環状空間は繊維状のまたは層状
の絶縁体が有効に充填されており、また熱障壁を確立す
るために排気してもよい。排気されるときには、この空
間に移動し得る気体を吸収するゲッタ物質をこの空間に
用意し、真空を保持するようにしてもよい。そのような
気体には外側管の縣食による水素、ならびに内側管から
排出されるＮ、　、ＣＯ、ｆｚるいは０２がある。ゲッ
タ物質（例えばチタン）は内側管に隣接して配置され、
４００°〜７００°Ｆ″の高い蒸気温度にさらされるよ
うにして気体を一層効果的に吸収するようにすることが
好ましい。

本覚り」の原理の適用例を例示するために本発明の特定
の実施例を図示し、詳細に記載したけれど、本発明はそ
の原理から逸脱することなしに他の態４子で実施できる
ということは理解されよう。

【図面の簡単な説明】

第１図は内側管壁と外側管壁との間の空間に配置された
本発明の一実施例を示す概略構成図、第２図は本発明の
一実施例による回路を示す回路接続図、第３図は本発明
の他の実施例による回路を示す回路接続図である。 １０：湿気測定または検出装置 １２：絶縁体層 １　４　　：　内　名句　管 １６：外側管 ２０：絶縁された蒸気注入管 ２２：圧電結晶 ２４．２６：電極（板体） ２８：回　路 ６０：コンデンサ ３２．３４二板部利 ６６：トランスジューサ ６８：電子絹測器 ４０：インダクタ ／−＼ Ａ　　＋ 同　　倉橋　暎

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）　　固体壁部材の一側の雰囲気の湿気を測定する
   だめの湿気測定装置において、 前記壁部材に、前記−側に表面が対面する状態で、音響
   的に結合された圧電結晶と、 離間された２つの板部羽を有し、これら２つの板部月間
   の空間が前記雰囲気にさらされるコンデンサと、 該コンデンサおよび前記圧電結晶に接続され、前記圧電
   結晶が当該回路の共振周波数で励起されたときに前記コ
   ンデンサのインピーダンスを示す応答を提供する回路 とを具備し、 前記コンデンサが湿気の変動を受けることにより前記壁
   部材の反対側から前記圧電結晶を励起したときに得られ
   る応答に変化を生じさせるようにしたことを特徴とする
   湿気測定装置。 （２）前記コンデンサの前記板部材のそれぞれが複数の
   平行な板よりなり、前記２つの板部材の平行な板が互い
   に間に空間を形成している特許請求の範囲第１項記載の
   湿気測定装置。 （３）前記固体壁部材の反対側の表面に係止された音波
   トランスジューサと、該トランスジューサを音響的に付
   勢して前記圧電結晶を音響的に励起するための付勢手段
   とを含む特許請求の範囲第２項記載の湿気測定装置。 （４）前記固体壁部材の反対側の表面に係止された音波
   トランスジューサと、該トランスジューサを音響的に付
   替して前記圧電結晶を音響的に励起するための付勢手段
   とを含む特許請求の範囲第１項記載の湿気測定装置。 （５）前記トランスジューサを付勢する前記付勢手段に
   含まれており、かつ周波数範囲を掃引するための周波数
   変調パルス発生器および自動ピーク信号検出器を含む特
   許請求の範囲第４項記載の湿気測定装置。 （６）前記回路が前記コンデンサに並列に接続されたイ
   ンダクタを含み、これらコンデンサおよびインダクタが
   共振周波数を有する回路を形成し、該共振周波数が前記
   雰囲気の湿気の変化によって変化して前記自動ピーク信
   号検出器によって感知されるピーク周波数を変化させる
   特許請求の範囲第５項記載の湿気測定装置。 （力　前記圧電結晶がＸカットであり、かつ一対の電極
   を有し、該電極の一方が前記壁部材の前記−側と対面す
   る表面に接合されている特許請求の範囲第１項記載の湿
   気測定装置。 （８）　　前記壁部材が、前記圧電結晶が音響的に結合
   される内表面を有する外側管と、該外側管の内側に離間
   され、この外側管によって取囲まれて環状空間を形成す
   る内側管と該環状空間内の絶縁体とからなり、該内側管
   が蒸気を油井に運ぶように適合されており、前記コンデ
   ンサが前記絶縁体中に配置されかつ前記絶縁体中の雰囲
   気にさらされる前記２つの板部材を有する特許請求の範
   囲第１項記載の湿気測定装置。 壁に音ｊｉｌｌｉ的に結合された圧電結晶と、該圧電結
   晶に接続された回路と、該回路に接続され、前記雰囲気
   にさらされる一対のν；１１間された板部材を有するコ
   ンデンサとにより前記壁の一側の雰囲気の湿気を測定す
   る方法において、 前記圧電結晶を前記壁の反対側から種々の周波数で、前
   記回路の共振周波数で励起したときに前記夢囲気の変化
   を示す前記コンデンサのインピーダンスを示す応答が得
   られるまで、音響的に励起する段階を含むことを特徴と
   する湿気測定方法。 ００）前記圧電結晶が音響的に結合された前記壁が、内
   表面に前記圧電結晶が音響的に結合された外側管と、該
   外側管の内側に離間され、この外側管によって取囲まれ
   て環状の空間を形成するように結合された内側管と、前
   記コンデンサの前記一対の離間された板部材が配置され
   る前記環状空間中の絶縁体とからなり、前記内側管が蒸
   気を油井に運ぶように適合されている特許請求の範囲第
   ９項記載の湿気測定方法。 αυ　固体壁部材の一側の雰囲気の湿気を測定するだめ
   の湿気測定装置において、 前記壁部材に表面が前記−側と対面する状態で音響的に
   結合された圧電結晶と、 前記雰囲気にさらされる湿気感知インピーダンス手段と
   、 該湿気感知インピーダンス手段および前記圧電結晶に接
   続され、前記圧電結晶の励起時に前記湿気感知インピー
   ダンス手段のインピーダンスを示す応答を提供する回路 とを具備し、 前記湿気感知インピーダンス手段が湿気の変動を受ける
   ことにより前記壁部材の反対側から前記圧電結晶を励起
   したときに得られる応答に変化を生じさせるようにした
   ことを特徴とする湿気測定装置。 ａつ　信号発生および送信手段を含み、前記圧電結晶が
   、その励起時に、音波を電気エネルギに変換してこのエ
   ネルギを前記信号発生および送信手段に供給し、この手
   段が前記湿気感知インピーダンス手段のインピーダンス
   を示す信号を送信する特許請求の範囲第１１項記載の湿
   気測定装置。