(57)【要約】【課題】配管が大口径であり、さらに大流量かつ大偏量である等の理由で既存の流量計では対応できなかった箇所であっても、流量の変化の監視を行うことが可能な配管流れ監視装置および配管流れ監視方法を提供する。【解決手段】本発明にかかる配管流れ監視装置２００は、異なる位置から超音波を用いて１点の流速情報を計測する３以上の超音波送受信部２５０と、３以上の流速情報から３次元流速値を算出する流速合成部２２０と、ある時点の３次元流速値から初期状態を取得する初期状態取得部２２２と、任意の時点の３次元流速値から経過状態を取得する経過状態取得部２２４と、初期状態と経過状態を比較することで相対変化量を取得する変化量取得部２２６と、を備えたことを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる位置から超音波を用いて１点の流速情報を計測する３以上の超音波送受信部と、
３以上の流速情報から３次元流速値を算出する流速合成部と、
ある時点の３次元流速値から初期状態を取得する初期状態取得部と、
任意の時点の３次元流速値から経過状態を取得する経過状態取得部と、
前記初期状態と前記経過状態を比較することで相対変化量を取得する変化量取得部と、
を備えることを特徴とする配管流れ監視装置。
【請求項２】
前記超音波送受信部は、主流方向に対して傾斜して設置されており、かつ各超音波送受信部は配管の円周方向に所定の角度離して配置されていることを特徴とする請求項１に記載の配管流れ監視装置。
【請求項３】
前記超音波送受信部は配管の屈曲部に設置されていることを特徴とする請求項１に記載の配管流れ監視装置。
【請求項４】
前記初期状態または前記経過状態は、３次元流速値、主流方向の流速値、またはこれらに基づく流量であることを特徴とする請求項１に記載の配管流れ監視装置。
【請求項５】
異なる３以上の位置から超音波を用いて１点の流速情報を計測し、
３以上の流速情報から３次元流速値を算出し、
ある時点の３次元流速値から初期状態を取得し、
任意の時点の３次元流速値から経過状態を取得し、
前記初期状態と前記経過状態を比較することで相対変化量を取得することを特徴とする配管流れ監視方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に大口径かつ大流量を有する配管における配管流れ監視装置および配管流れ監視方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
流体の流量を測定するために、超音波を利用した流量測定装置が広く利用されている。超音波による流量測定は、ドップラ法や相互相関法、伝搬時間差法、伝搬時間逆数差法、シング・アラウンド法等さまざまな方法を用いたものがある。
【０００３】
特に配管内の流れを測定する場合、超音波が物質を透過して伝播する性質を利用して、配管の外側から配管内の流量を測定することができるため、配管の流量測定装置に好適である。超音波は、導管が不透明であっても、また流体自体が不透明であっても導管内の速度分布や流量を測定することができる。したがって、懸濁液や、水銀またはナトリウム等の液体金属等の様々な不透明流体の流速測定にも適応できるという利点を有している。
【０００４】
ドップラ式超音波流量測定装置は、トランスデューサ（超音波入力部）から流体内に入力される超音波パルス波の測定線上における流体速度分布の経時変化を得ることができるため、過渡流れや乱流における流体の流速分布や流量計測への応用が期待されている。
【０００５】
ただし、通常のドップラ式超音波流量測定装置は、基本的に１つの測定線上の速度分布から、管内の速度分布を測定するものである。この方式は安定した流れを対象としており、偏流や乱流、非定常流では測定できない（信頼性がない）という問題がある。
【０００６】
そこで特許文献１には、超音波のドップラシフトを利用して、３次元分布をもつ非定常状態の流れを測定しうる超音波流量計（流量測定装置）が記載されている。なお特許文献１では、Ｎ個（Ｎ≧１）の超音波トランスデューサを配管の外周側に周方向に間隔をおいて、かつ送信される超音波パルスの測定線が配管の中心軸線上の所定点を通るように配置し、測定した流速分布を積分することにより、曲線流路を流れる流量を計測できるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−９７７４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、発電所や工場等における配管には、Φ５００以上などの大口径配管が多く存在し、このような大口径配管における流れを知りたいという要望が多く存在している。また、曲がり管や弁直後などの大きな偏流を伴う箇所であったり、設置スペースの問題などにより既存の流量計では対応が難しく流量計測が実施できないといった状況においても、流れを知りたいという要望がある。
【０００９】
上記特許文献１に記載のドップラ式流量測定装置を用いれば、偏流を伴う流れの流量も計測できる可能性はある。しかし超音波は、速い流れに対しては波長を短くする必要があり、到達距離を長くするためには波長を長くする必要がある。したがって測定対象たる配管流れの口径と流量はトレードオフの関係にあり、大口径かつ大流量である配管の流量計測への適用には制限がある。例えばΦ２ｍの配管の場合、測定可能な流速の範囲は平均流速が約３ｍ/ｓ以下であるなどの制限が発生してしまう。
【００１０】
また偏流が大きいと、分解能を高くする必要があるため、さらに波長を短めにする必要がある。このため測定可能な範囲（超音波の到達距離）は狭くなり、例えば２．６ｍ／ｓの流速であっても測定可能範囲は１ｍ程度になってしまう場合もある。
【００１１】
ところで、発電所や工場等における流量計測においては、流量の絶対値の測定もさることながら、プラントの運転や管理のために流量の変化を監視したいという要望も存在していた。
【００１２】
本発明は、このような課題に鑑み、配管が大口径であり、さらに大流量かつ大偏量である等の理由で既存の流量計では対応できなかった箇所であっても、流量の変化の監視を行うことが可能な配管流れ監視装置および配管流れ監視方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明にかかる配管流れ監視装置の代表的な構成は、異なる位置から超音波を用いて１点の流速情報を計測する３以上の超音波送受信部と、３以上の流速情報から３次元流速値を算出する流速合成部と、ある時点の３次元流速値から初期状態を取得する初期状態取得部と、任意の時点の３次元流速値から経過状態を取得する経過状態取得部と、上記初期状態と上記経過状態を比較することで相対変化量を取得する変化量取得部と、を備えることを特徴とする。
【００１４】
上記構成によれば、ある１点に対して３以上の流速情報を計測していることから３次元方向の流速値を算出することができ、また初期状態と経過状態とを比較することにより、相対変化量の測定が可能となる。したがって配管流れの経年変化等によるプラントの性能や動作効率への影響を監視でき、プラントの運転や管理を行い易くすることが可能である。
【００１５】
ここで初期状態は、プラントなどの設備が健全であるときに測定し、経過状態は数日後や数ヶ月後などの任意の時点で取得することができる。そして、流速と流量は比例するために、流速の変化をとらえれば、流量の変化に置き換えることができる。３次元流速値を用いることにより、偏流や乱流であっても測定することが可能である。また１点の流速情報を用いることにより、配管の直径すべてに超音波を到達させる必要がないため、配管が大口径であり、さらに大流量かつ大偏量であるような箇所であっても測定が可能となる。
【００１６】
上記の超音波送受信部は主流方向に対して傾斜して設置されており、かつ各超音波送受信部は配管の円周方向に所定の角度離して配置されているとよい。これにより、例えば偏流の発生箇所において、測定位置による測定誤差を抑えることが可能であり、測定精度をより向上させることができる。
【００１７】
上記の超音波送受信部は配管の屈曲部に設置しているとよい。これにより、偏流が起きやすく、従来は計測不可能であった箇所であっても、配管流れの監視を行うことができる。
【００１８】
上記の初期状態または経過状態は、３次元流速値、主流方向の流速値、またはこれらに基づく流量であるとよい。超音波のトランスデューサで測定できるのは、トランスデューサに対して離接する方向の速度成分（流速情報）であり、３以上の速度成分から３次元流速値を求めることができる。この３次元流速値をそのまま初期状態または経過状態としてもよいし、さらに主流方向の流速値に変換して比較してもよいし、または既知の管径を用いて流量に変換してから比較してもよい。いずれの場合においても相対変化量を対比することができ、配管流れの監視を行うことができる。なお、主流方向とは、配管の軸方向であって、配管内の流体が主に流れる方向である。また、これらに基づく流量とは、測定した３次元流速値に配管の断面と時間を乗算したものである。
【００１９】
上記課題を解決するために、本発明にかかる配管流量測定方法の代表的な構成は、異なる３以上の位置から超音波を用いて１点の流速情報を計測し、３以上の流速情報から３次元流速値を算出し、ある時点の３次元流速値から初期状態を取得し、任意の時点の３次元流速値から経過状態を取得し、前記初期状態と前記経過状態を比較することで相対変化量を取得することを特徴とする。
【００２０】
上述した配管流れ監視装置における技術的思想に対応する構成要素やその説明は、当該配管流れ監視方法にも適用可能である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、配管が大口径であり、さらに大流量かつ大偏量である等の理由で既存の流量計では対応できなかった箇所の流量の変化の監視が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本実施形態における配管流れ監視装置の構成図である。
【図２】配管流れ監視装置の機能ブロック図である。
【図３】超音波送受信部の設置状態を説明するための配管断面図である。
【図４】超音波送受信部の屈曲部への設置を説明するための図である。
【図５】配管流れ監視方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００２４】
図１は、本発明の実施形態にかかる配管流れ監視装置２００を説明するための全体図である。配管流れ監視装置２００は、測定端末２１０と３つの超音波送受信部２５０を含んで構成される。なお超音波送受信部２５０は３つに限定するものではなく、３以上であればよい。
【００２５】
配管流れ監視装置２００は、配管１０２と、配管１０２の内部に流れる流体としての液体１０４の流速を測定する。図１において液体１０４は、白抜き矢印で示すように左から右への流れ方向が主流方向であるものとする。なお、主流方向とは、配管１０２の軸方向であって、配管１０２内の流体が主に流れる方向である。
【００２６】
配管流れ監視装置２００は、ドップラ法および相互相関法を用いた計測ができる。例えばドップラ法を用いるにはナイキストのサンプリング定理により制限されるような場合は相互相関法を用いる、相互相関法の測定範囲を超えている場合はドップラ法を用いるなど、状況に応じた方法を使い分けることで多様な配管１０２の構造に対応することが可能である。
【００２７】
超音波送受信部２５０から入力した超音波パルス波２５４は、管内を流れる気泡１０６などの浮遊物で反射し、反射波２５８は超音波送受信部２５０によって受信され測定端末２１０へ送信される。
【００２８】
図２は、配管流れ監視装置２００の概略的な機能を示した機能ブロック図である。図２に示すように、配管流れ監視装置２００は、測定端末２１０と超音波送受信部２５０からなり、測定端末２１０と超音波送受信部２５０はケーブル２０２を介して有線で接続されている。超音波送受信部２５０は本実施形態では同じものが３つ設置されているが、そのうちの１つを詳細に図示している。
【００２９】
測定端末２１０は、制御部２１２と、記憶部２３０と、表示部２４０と、操作部２４２とを含んで構成され、超音波送受信部２５０は超音波送信部２５２と、超音波受信部２５６とを含んで構成される。
【００３０】
制御部２１２は、中央処理装置（ＣＰＵ）を含む半導体集積回路により測定端末２１０を管理および制御する。記憶部２３０は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＥＥＰＲＯＭ、不揮発性ＲＡＭ、フラッシュメモリ、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）等で構成され、制御部２１２で処理されるプログラムや取得データなどを記憶する。表示部２４０は、液晶ディスプレイ、ＥＬ（Electro Luminescence）、ＰＤＰ(Plasma Display Panel)等で構成され、記憶部２３０に記憶されたアプリケーションのＧＵＩ（Graphical User Interface）を表示することができる。操作部２４２は、キーボード、十字キー、ジョイスティック等の複数のキー（スイッチ）およびマウスから構成され、ユーザの操作入力を受け付ける。
【００３１】
超音波送信部２５２は、圧電素子等で構成され、配管１０２の外側から内部に向かって図１に示した超音波パルス波２５４を入力する。また超音波受信部２５６は、気泡１０６によって反射された反射波２５８を受信する。
【００３２】
上記の制御部２１２は、パルサー２１４、レシーバ２１６、Ａ／Ｄ変換部２１８、流速合成部２２０、初期状態取得部２２２、経過状態取得部２２４、変化量取得部２２６を含んで構成されている。
【００３３】
パルサー２１４は、ケーブル２０２を介して超音波送信部２５２に超音波入力信号（電圧）を送信する。超音波入力信号には超音波送信部２５２が入力する超音波パルス波２５４の周波数情報および間隔情報を含んでいる。
【００３４】
レシーバ２１６は、超音波受信部２５６によってアナログ信号に変換された反射波２５８の信号を増幅する。
【００３５】
Ａ／Ｄ変換部２１８は、レシーバ２１６によって増幅されたアナログ信号としての反射波２５８をデジタル信号に変換する。
【００３６】
流速合成部２２０は、超音波送受信部２５０からレシーバ２１６、Ａ／Ｄ変換部２１８を経て得た３以上の流速情報の各流速ベクトルを合算して３次元流速値を算出する。
【００３７】
初期状態取得部２２２は、流速合成部２２０で得られたある時点の３次元流速値から初期状態を取得する。初期状態は、プラントなどの設備が健全であるときに測定して取得することができる。
【００３８】
経過状態取得部２２４は、流速合成部２２０で得られた任意の時点の３次元流速値から経過状態を取得する。経過状態は数日後や数ヶ月後などの任意の時点で取得することができる。初期状態取得部２２２と組み合わせることで、所望する期間におけるプラントの状態を取得することができる。また、経過状態取得部２２４は所望する期間、所定の間隔をもって継続して経過状態を取得することができる。
【００３９】
初期状態取得部２２２と経過状態取得部２２４は、３次元流速値、主流方向の流速値、またはこれらに基づく流量を初期状態または経過状態として取得することができる。超音波送受信部２５０で測定できるのは、超音波送受信部２５０に対して離接する方向の速度成分（流速情報）であり、３以上の速度成分から３次元流速値を求めることができる。そして３次元流速値を用いることにより、偏流や乱流であっても測定することが可能である。また１点の流速情報を用いることにより、配管１０２の直径すべてに超音波を到達させる必要がないため、配管１０２が大口径であり、さらに大流量かつ大偏量であるような箇所であっても測定が可能となる。
【００４０】
上記の３次元流速値をそのまま初期状態または経過状態としてもよいし、さらに主流方向の流速値に変換して比較してもよいし、または既知の管径を用いて流量に変換してから比較してもよい。流速と流量は比例するため、流速の変化をとらえれば、流量の変化に置き換えることができる。
【００４１】
上記の変化量取得部２２６は、初期状態取得部２２２から得た初期状態と、経過状態取得部２２４から得た経過状態を比較することで相対変化量を取得する。この相対変化量には、初期状態を定格値とし、定格値と経過状態の測定値を比較して得られる変化率も含まれる。また、初期状態と、初期状態を取得したある時点から任意の時点まで所定の間隔をもって継続して取得された複数の経過状態とを比較して経時的な変化量を取得することができる。これにより、所望する期間におけるプラントの性能や動作効率の変遷（トレンドチャート）を監視することができる。
【００４２】
図３は、超音波送受信部２５０の設置状態を説明するための配管断面図である。図３（ａ）に示すように、それぞれの超音波送受信部２５０は、主流方向に対して所定の角度θ１傾斜して設置されている。これにより主流方向に流れる液体１０４が超音波送受信部２５０に対して離接する方向成分を有することとなり、超音波によって流速を測定することが可能となる。角度θ１は測定する流速や偏流の状況によって適宜設定することができる。またさらに、超音波送受信部２５０ごとに傾斜角を異ならせてもよい。
【００４３】
図３（ｂ）に示すように、３以上の超音波送受信部２５０は配管１０２の外円周上の異なる位置から超音波を用いて１点の流速情報を計測している。本実施形態では３つの超音波送受信部２５０を例示しているが、３つ以上用いることも可能である。
【００４４】
また、各超音波送受信部２５０は配管の円周方向に所定の角度θ２離して配置されている。角度θ２は、３つのうちの真ん中の超音波送受信部２５０ａの配管１０２への設置点Ｐ１と、配管１０２の中心点Ｏと、他の超音波送受信部２５０ｂ、２５０ｃの配管１０２への設置点Ｐ２またはＰ３とを結んだ線の角度である。この角度θ２は測定する配管１０２の口径や設置状況によって適宜設定することができる。
【００４５】
上記の流速情報を計測する１点とは、３つの超音波送受信部２５０から送信された超音波パルス波２５４の交点Ｅ１である。通常、配管１０２の外円周上に超音波送受信部２５０を配置した場合に超音波パルス２５４の交点となるのは配管１０２中心であるが、本実施形態では交点の位置は配管１０２中心に限られず、測定する流速や偏流の状況によって適宜設定することができる。すなわち、超音波送受信部２５０は必ずしも配管１０２の中心に向かって超音波を出力しなくてもよく、３つの超音波送受信部２５０の測定線が一点で交わればよい。
【００４６】
図４は超音波送受信部２５０の屈曲部への設置を説明するための図である。本発明に係る配管流れ監視装置２００は、図４に示すように屈曲した配管１０２の屈曲部に設置させても機能が発揮できる。屈曲部付近には白抜き矢印で示したように偏流が発生しているが、３つの超音波送受信部２５０により、交点Ｅ２のＸＹＺ上での３次元ベクトルを計測し、得られた３次元ベクトルを基にした流速情報から相対変化量を測定することで対応が可能である。
【００４７】
続いて、上述した配管流れ監視装置２００を用いた配管流れ監視方法について説明する。図５は、配管流れ監視装置２００を用いた配管流れ監視方法の流れを示したフローチャートである。
【００４８】
まず、配管１０２の外円周上に配管流れ監視装置２００の超音波送受信部２５０を設置する（Ｓ３００）。この異なる３以上の位置から超音波送受信部２５０を構成する超音波送信部２５２により配管１０２の内部に向かって超音波パルス波２５４を所定の周波数で入力し（Ｓ３０２）、超音波受信部２５６が気泡１０６によって反射された１点の流速情報である反射波２５８を受信する（Ｓ３０４）。
【００４９】
反射波２５８から得られた３以上の流速情報を流速合成部２２０で３次元流速値として算出する（Ｓ３０６）。そして今回の測定が初期状態の取得か経過状態の取得かを判断する（Ｓ３０８）。
【００５０】
Ｓ３０８において初期状態の取得である場合（Ｓ３０８のＹ）、すなわち設備が健全に動作しているある時点における測定である場合には、初期状態取得部２２２が流速合成部２２０で算出した３次元流速値から初期状態を算出する（Ｓ３１０）。
【００５１】
Ｓ３０８において経過状態の取得である場合（Ｓ３０８のＮ）、または初期状態の算出（Ｓ３１０）後、経過状態取得部２２４が流速合成部２２０で算出した任意の時点の３次元流速値から経過状態を算出する（Ｓ３１２）。そして、変化量取得部２２６は上記の初期状態と経過状態を比較することで相対変化量を取得する（Ｓ３１４）。取得した相対変化量は、記憶部２３０に記憶したり、表示部２４０に表示したりすることができる。これにより設備の管理者は管内流れの状態を把握し、流量の相対変化量の過多をもって動作の健全さを把握することができる。
【００５２】
なお、配管流れ監視装置２００は所望の期間継続して配管１０２の監視が可能である。そのため、変化量取得部がＳ３１４後にも相対変化量の取得を継続すると判断した場合はＳ３０２へ戻り（Ｓ３１６のＮ）、配管１０２の監視が継続される。また、変化量取得部が相対変化量の取得を終了すると判断した場合（Ｓ３１６のＹ）は配管１０２の監視は終了となる。
【００５３】
上記説明した如く、本実施形態にかかる配管流れ監視装置２００および配管流れ監視方法においては、同一点において異なる３つの流速情報を計測していることから３次元方向の流速値を算出することができ、また初期状態と経過状態とを比較することにより、相対変化量の測定が可能となる。したがって配管流れの経年変化等によるプラントの性能や動作効率への影響を監視でき、プラントの運転や管理を行い易くすることが可能である。また管内の全体の流量ではなく、１点の３次元流速値を用いてその相対変化量を用いていることから、配管が大口径であり、さらに大流量かつ大偏量であるような箇所であっても、高い精度で状態の監視を行うことが可能となる。
【００５４】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明は、特に大口径かつ大流量を有する配管における配管流れ監視装置および配管流れ監視方法に利用することができる。
【符号の説明】
【００５６】
Ｅ１…交点、Ｅ２…交点、Ｏ…中心点、Ｐ１…設置点、Ｐ２…設置点、Ｐ３…設置点、θ１…角度、θ２…角度、１０２…配管、１０４…液体、１０６…気泡、２００…配管流れ監視装置、２０２…ケーブル、２１０…測定端末、２１２…制御部、２１４…パルサー、２１６…レシーバ、２１８…Ａ／Ｄ変換部、２２０…流速合成部、２２２…初期状態取得部、２２４…経過状態取得部、２２６…変化量取得部、２３０…記憶部、２４０…表示部、２４２…操作部、２５０…超音波送受信部、２５０ａ…超音波送受信部、２５０ｂ…超音波送受信部、２５０ｃ…超音波送受信部、２５２…超音波送信部、２５４…超音波パルス波、２５６…超音波受信部、２５８…反射波
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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