(57)【要約】空気パイプライン（１０，１２）内の固体粒子の質量流をモニターする装置は、測定室（１６）と衝撃体（３４，３４’）を備えている。略その全断面で該衝撃体（３４，３４’）に当たるように、入口連結部（１８）を介して、固体粒子流が該衝撃体（３４，３４’）にコンパクトな固体／ガスジェットとして吹き付けられる。音響トランスジューサーは構造体発生音波を感知するために該衝撃体（３４，３４’）に連携しており、そして該音波を出力信号に変える前記音波は、前記コンパクトな固体／ガスジェットで生じる信号処理手段（６０）は、固体粒子流の質量流を表す値を計算するように出力信号を処理する。
2005515462.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造体発生音波を感知することを含む空気パイプライン（１０，１２）内の固体粒子の質量流をモニターする方法において、
前記固体粒子流を自由でコンパクトな固体／ガスジェットに変え；
前記固体／ガスジェットがその略全断面で衝撃体（３４，３４’）の衝撃前面（５０，５０’）に当たるように、該固体／ガスジェットに軸方向に配置されたステム状衝撃体（３４，３４’）で前記固体／ガスジェットを遮断し；
前記衝撃体（３４，３４’）に当たる前記コンパクトな固体／ガスジェットにより該衝撃体で生じた構造体発生音波を感知して該空気パイプライン内で固体粒子流の質量流をモニターすることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記構造体発生音波が、０ないし１０００ｋＨｚの周波数範囲内の１つ以上の特定の周波数範囲で感知され、周波数依存分析にかけてそこから固体粒子流の質量流を表す値を計算する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ステム状衝撃体（３４，３４’）は、空気パイプラインの構造体発生ノイズから隔離される、請求項１あるいは請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記ステム状衝撃体（３４，３４’）は、前記空気パイプラインの上流部分（１０）と下流部分（１２）との間に連結されている測定室（１６）内に配置されており；
ノズル（５２）は、前記固体粒子を、前記上流部分（１０）から、全体断面で前記衝撃体（３４，３４’）に軸方向に当たる自由でコンパクトな固体／ガスジェットに変え；
前記衝撃体（３４，３４’）でそらされた固体粒子と搬送ガスが前記測定室（１６）を出て、前記空気パイプラインの前記下流部分（１２）で固体粒子流を復活する、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記衝撃体（３４，３４’）でそらされた前記固体粒子と搬送ガスは、少なくとも１つの横の出口開口（２６）を通して前記衝撃体（３４，３４’）の横方向に前記測定室（１６）から出る、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記ステム状衝撃体（３４，３４’）は衝撃ヘッド（４０）を有し；
前記少なくとも１つの横の出口開口（２６）は前記衝撃ヘッド（４０，４０’）から横方向に配置されており；
前記測定室（１６）は前記横の出口開口（２６）の下流で固体粒子を満たした閉端（８０）を有し；
前記衝撃ヘッド（４０，４０’）は前記閉端（８０）の前記固体粒子から突き出るようにステムによって支持されている、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
測定室（１６）と；
前記測定室（１６）内の衝撃体（３４，３４’）と；
前記測定室（１６）内で前記衝撃体（３４，３４’）にコンパクトな固体／ガスジェットとして前記固体粒子流を吹き付けるように設計されて、前記コンパクトな固体／ガスジェットが略その全断面で前記衝撃体（３４，３４’）に当たる入口連結部（１８）であって、中心軸を有する入口連結部（１８）とから構成される空気パイプライン（１０，１２）内の固体粒子の質量流をモニターする装置において、
前記衝撃体（３４，３４’）は、前記入口連結部（１８）の前記中心軸の軸方向延長部で前記測定室（１６）に貫通して、前記コンパクトな固体／ガスジェットが略その全断面で前記衝撃体（３４，３４’）の衝撃前面（５０，５０’）に当たるステム状衝撃体であり；
音響トランスジューサー（５２）は、前記衝撃体（３４，３４’）に当たる前記コンパクトな固体／ガスジェットで生じる構造体発生音波を感知するため、またその音波を出力信号に変えるために前記測定室（１６）の外部から前記衝撃体（３４，３４’）に連携していることを特徴とする装置。
【請求項８】
さらに、前記出力信号を処理して固体粒子流の質量流を表す値をそこから計算する請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記ステム状衝撃体（３４，３４’）は構造体発生音波に対して前記測定室（１６）から隔離されている請求項７又は請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記衝撃体（３４，３４’）は、
前記測定室（１６）に前記衝撃体（３４，３４’）を取付けるための取付け板（３６，３６’）と；
前記取付け板（３６，３６’）に中央で支持されている支持ステム（３８，３８’）と；
前記支持ステム（３８，３８’）によって支持され、前記入口連結部（１８）の中心軸の延長部に前記衝撃面（５０，５０’）を形成する衝撃ヘッド（４０，４０’）を備える、請求項７ないし請求項９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１１】
前記衝撃面（５０，５０’）は略平らで、前記入口連結部（１８）の中心軸に垂直である、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記衝撃面（５０，５０’）は、前記入口連結部（１８）の中心軸に同軸の円錐面である、請求項１０に記載の装置。
【請求項１３】
前記取付け板（３６）は、前記入口連結部（１８）とは軸方向に反対側の前記測定室（１６）を閉鎖し；
前記測定室（１６）は前記衝撃体（３４，３４’）から横方向に横出口開口（２６）を有する、請求項１０ないし請求項１２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１４】
前記測定室（１６）は前記横出口開口（２６）の下流で軸方向に延びる閉端（８０）を有する、請求項１３に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は空気パイプラインの質量流をモニターする方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
空気パイプラインは、搬送媒体としてガス状流体、通常、エアあるいは不活性ガスを使用して例えば微粉材料、粒状材料としての固体粒子を輸送する。空気パイプラインが多数の産業分野で普及されつつあるため、空気パイプラインで固体粒子の流れをモニターするため、特にその質量流をモニターするための単純で確実な方法と装置が緊急に必要とされている。空気パイプラインの質量流が連続的にモニター可能であれば、例えば；（ｉ）固体粒子を確実に正確に分配してプロセスを最適化し及び／又は良好な品質を実現すること；（ｉｉ）最適な輸送条件を調整して空気輸送システムでのエネルギー消費量及び摩耗を最適化すること；及び（ｉｉｉ）複雑な空気輸送システムの多重パイプライン間の流率をバランスすることが可能となる。
過去３０年にわたって、多数の異なった方法や装置が、機械的方法、静電的方法、マイクロ波法、光学的方法及び音響法を含んで、２つの相、固体／気体流を連続的にモニターするために開発されてきた。しかし、これらの方法は空気パイプラインの固体粒子の流れをモニターするには満足できる解決策ではなかった。
【０００３】
機械的方法は、衝撃板、マルチブレードローター、コリオリ（Coriolis）ホィール、圧力低下測定装置などの機械的流量メーターを、例えばオリフィス板やベンチュリー管として使用する。しかし、そのような機械的流量メーターは、摩耗に対してあまりに敏感であり、かつパイプライン閉塞のリスクがあるため、空気パイプラインの流率をモニターするためには一般的に不適である。
静電的流量メーターは空気パイプラインの移動粒子によって運ばれた静電荷を感知する。物理特性、化学特性、湿度及び固体／気体流量の速度、並びにパイプラインの構成、材料及び壁粗さ等の種々のファクターがそのメーターの測定値に影響を与えることがある。外部電源を介して輸送固体を荷電することで精度を改善する試みがなされてきた。しかし、この方法は粉体爆発のリスクがあるため多くの場合不適当と思われる。
【０００４】
マイクロ波流量メーターはＧＨｚ周波数範囲で電磁波を発生し、これらの電磁波が空気パイプライン内の固体粒子流によりどのように影響されるかを測定する。マイクロ波流量メーターに関する問題は、電磁場がパイプラインの全体の断面にわたり均一でないことである。従って、測定値は結合化などの不均一な流量状態によって変わってしまう。さらに、マイクロ波流量メーターは輸送固体の物理的特性や化学的特性に非常に敏感であり、それらの測定値は小さな固体の沈積で簡単に変えられてしまう。
光学的方法は固体粒子流による光の減衰、散乱に基づいている。これらの方法は、固体分濃度が非常に低く、そのため空気パイプラインには一般的に不向きな気体／固体流にしか向いていない。
【０００５】
音響法(超音波法)は能動的音響法と受動的音響法に分けることができる。能動的音響法はパイプラインに輸送される固体粒子による入射超音波ビームの減衰を測定する。能動的音響法に関する問題は、該方法がパイプライン全体の断面を均一にカバーしないこと、従ってそれらの測定値が結合化のような不均一な流量状態によって変えられることである。受動的音響法はパイプライン壁を移動粒子がたたくか摺動することにより生じる構造体発生音波をモニターする。この構造体発生音波はパイプラインの外面に係止されるマイクロホンや圧電センサーで検出される。最高の結果は、音のセンサーがパイプラインの曲がり管の外面に取り付けられれば得ることができる。通常、高周波数範囲が、パイプに沿って導入される機械的ノイズの効果を相殺するためにモニターされる。これらの受動的音響法は、不均一な流量状態や空気パイプラインに沿って生じる構造体発生ノイズで不正な状態とされてしまう。
【０００６】
２０００年に出版された「センサーとアクチュエータ、Ａ」８６巻、No.  ３、２２０〜２２５頁（出版社、ＥＬＳＥＶＩＥＲ  ＳＥＱＵＡＩＡ）の「二相流量メータの新規設計」において、Ｐ．ＢＥＮＥＳ及びＫ．ＺＥＨＮＵＬＡは、固体粒子が搬送ガス(エア)で運ばれる少ない流量の２相媒体を測定する方法を記載している。この方法は、気流で運ばれる固体粒子が適正に形成された障害物に衝突したときに圧力音波を発生する原理に基づいている。その著者は音の発生の大きさは一定速度の粒子の平均質量に比例すると教示している。該著者は２つの応用分野：（１）種々の製造分野における質量流又は流速の測定、及び（２）エアダストの測定での該方法の使用を示唆している。第１のケースでは、流れの方向に垂直に流路に挿入されるロッドを使用し、センサーをこのロッドに取り付けて、そのロッドを導波管として使用する。この測定法は空気パイプラインで流れの状況が不均一の場合に非常に信頼性がないことが分かるだろう。第２のケース（すなわちエアダスト測定）では、気流を圧電センサーに直接集中させている。そのような解決策は勿論非常に低い固体粒子濃度に適用されうるだけであり、空気パイプラインの固体粒子流量には確実に適用できない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決する技術的課題は、空気パイプライン内の固体粒子流をモニターする単純で確実な方法及び装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明による方法は概略的には受動的音響法(超音波法)として位置づけられる。公知能動的音響法（超音波法）とは対照的に、この方法は固体粒子流で直接生じた構造体発生音波を感知しない。この発明によれば、固体粒子流が先ず自由でコンパクトな固体／ガスジェットに変えられる。この自由でコンパクトな固体／ガスジェットは、次に実質的にその全体の断面で衝撃体の衝撃前面（５０，５０’）に当たるように、前記コンパクトな固体／ガスジェット内に軸方向に配置されているステム状衝撃体で遮断される。このステム状衝撃体に当たったコンパクトな固体／ガスジェットはこの衝撃体で構造体発生音波を発生し、これが空気パイプライン内の固体粒子流の質量流をモニターするために感知される。この方法は公知の能動的超音波法とは違って、空気パイプラインでの不均一な流れの状態によっても、また空気パイプラインに沿って生じた構造体発生ノイズによって殆ど変わらないことが分かるだろう。さらに、本発明方法は非常に不利な条件下、例えば高温、非常に高密度及び／又は不均一な流れの状態、及び／又は非常に摩耗性の固体粒子等の条件下で空気パイプラインの固体粒子をモニターすることができることが特に分かるだろう。
【０００９】
構造体発生音波は０〜１０００ｋＨｚの範囲内の１つ以上の特定の周波数範囲で通常感知され、固体粒子流の質量流率を表す値をそこから導かれるように周波数依存分析にかけられる。
ステム状衝撃体は、構造体発生ノイズに関して、空気パイプラインから容易に隔離することができる。従って、衝撃体に感知される構造体発生音波は、パイプラインで構造体が発生するノイズにより影響を受けることはない。
ステム状衝撃体は、空気パイプラインの上流部分と下流部分間で連結された測定室内に有利に配置されている。この測定室の入口では、ノズルが固体粒子を該上流部分から自由でコンパクトな固体／ガスジェットに変え、該ジェットは実質的にその全断面でステム状衝撃体に当たる。衝撃体によってそらされた固体粒子や搬送ガスは、測定室を出て空気パイプラインの下流部分で固体粒子流となる。
【００１０】
摩耗から保護されるように、測定室は固体粒子で満たされる閉端を有利に備えている。そのような実施形態では、衝撃体は、ステムで支持されている衝撃ヘッドを有していて該閉端の固体粒子から突出している。
空気パイプラインの固体粒子流の質量流をモニターする好ましい装置は、入口連結部を備えた測定室と、該測定室内に配置された衝撃体と、該衝撃体に連携した音響トランスジューサーとから構成されている。該入口連結部は、コンパクトな固体／ガスジェットとして固体粒子流を衝撃体に対して吹付けるように設計されて、コンパクトな固体／ガスジェットが実質的にその全断面で衝撃体に当たる。本発明の重要な態様によれば、衝撃体は、入口連結部の中心軸の軸方向に延長して測定室に軸方向に貫通しているステム状衝撃体であり、それにより、コンパクトな固体／ガスジェットがステム状衝撃体の衝撃前面に実質的にその全断面で当たり、音響トランスジューサーは、該衝撃体に当たるコンパクトな固体／ガスジェットで生じる構造体発生音波を感知するため、また該感知信号を出力信号に変えるために、測定室外部から衝撃体に連携している。本装置は非常に不利な条件下で、例えば高温、非常に高密度及び／又は不均一な流れの状況及び／又は非常に磨耗性の固体粉末の条件下で、空気パイプライン内の固体粉末流を確実にモニターすることができる。
【００１１】
信号処理手段は音響トランスジューサーの出力信号を処理するために音響トランスジューサーに通常接続されて固体粒子流の質量流の度量をそこから計算する。
衝撃体の好ましい実施形態は、衝撃体を測定室に取り付けるための取付け板と、該取付け板の中央に支持された支持ステムと、該支持ステムによって支持された衝撃ヘッドとを有する。この衝撃ヘッドは入口連結部の中心軸の軸方向延長部に衝撃面を形成する。第１の実施形態では、この衝撃ヘッドは、実質的に平らで、入口連結部の中心軸に垂直な衝撃面を形成する。好ましい実施形態では、この衝撃ヘッドは入口連結部の中心軸に同軸の凸状円錐衝撃面を形成する。取付け板は入口連結部とは軸方向に反対の測定室を閉鎖し、測定室は衝撃体の横に出口開口を有している。入口連結部はコンパクトな固体／ガスジェットを生じるノズルを好適に備えている。
ここで本発明を、添付図面を参照して実施例により説明する。
【実施態様】
【００１２】
図１では、参照番号１０は空気パイプラインの上流部分を示し、参照番号１２はその下流部分を示している。そのようなパイプラインは、搬送媒体としてガス流体、通常、エア又は不活性ガスを使用して、例えば微粉砕材料あるいは粒状材料などの微粒子材料を輸送するために使用されている。そのような固体粒子流はそれぞれ矢印１０’、１２’で概略的に示される。
参照番号１４は空気パイプライン１０’、１２’の固体粒子流から質量流をモニターする装置を示している。この装置１４は、パイプライン曲がり管の代わりに該空気パイプラインの上流部分１０と下流部分１２との間に連結されている。この装置１４は入口連結部１８と出口連結部２０とを備えた測定室１６を構成している。入口連結部１８と出口連結部２０のそれぞれの中心軸１８’、２０’は互いに垂直である。空気パイプラインの上流部分１０は入口連結部１８と軸方向に連結され、下流部分１２は測定室１６の出口連結部２０と軸方向に連結されている。入口連結部１８は、開放して、測定室１６の円筒室２４への移行部を形成する円錐状に広がる入口室２２となる。この円筒室２４は入口連結部の中心軸１８’に同軸であり、入口連結部より自由断面がかなり大きい。出口連結部２０はこの円筒室２４の周囲壁２８に入口開口２６を有している。
【００１３】
参照番号３４は衝撃体を全体的に示し、この衝撃体３４はディスク状取付け板３６と、該取付け板３６に中央で支持される支持ステム３８と、この支持ステム３８で支持された衝撃ヘッドとを備えている。ディスク状取付け板３６は測定室１６のフランジ４２に補助フランジ４４でフランジ取り付けされて、入口連結部１８の軸方向反対側で測定室１６を閉鎖している。構造体により運ばれた音波に対して防振効率が良好な材料製の２つの防振リング４６，４８により取付け板３６（従って、衝撃体３４）が測定室１６から、（従って、空気パイプライン部分１０，１２から）分離されている。
支持ステム３８は測定室１６を軸方向に延びて、入口連結部１８の中心軸１８’の軸方向延長部で円筒室２４の入口で衝撃ヘッド４０を支持している。図１では、衝撃ヘッド４０は、略平らで入口連結部１８の中心軸に垂直な衝撃面５０を形成している。
【００１４】
収束用ノズル５２が、空気パイプラインの上流部分１０の固体粒子流１０’を、測定室１６内の衝撃面５０に軸方向に吹き付けられるコンパクトな固体／ガスジェット(図示せず)へと変えるために入口連結部１８に内蔵されている。なお、この表面５０にコンパクトな固体／ガスジェットが、その全断面で確実に当たるように衝撃面５０は十分に大きい。
衝撃面５０に当たる固体粒子は、構造体発生音波を発生し、これを音響トランスジューサー５２が測定する。この音響トランスジューサー５２は、支持ステム３８と軸方向に整合して、衝撃体３４の取付け板３６の外面に直接接触している。衝撃体３４は構造体発生ノイズに関して他の装置全てから隔離されているため、音響トランスジューサー５２は、全断面で衝撃面５０に当たるコンパクトな固体／ガスジェットにより生じる、構造体発生音波を感知するだけである。これらの構造体発生音波はその後、出力信号５６に変えられ、さらに処理されモニターされる。モニターすべき固体粒子流１０’の特性により、音響トランスジューサー５２は、１０００ｋＨｚ以下の周波数範囲で構造体発生音波の周波数分析が可能となる。ちょっとした応用として、衝撃体３４に、各々が特定の周波数範囲に最適化されている数個の音響トランスジューサーを備え付けることは興味深い事である。
【００１５】
参照番号６０は、音響トランスジューサー５２が接続される概略的に図示された信号処理装置を示している。そのような信号処理装置６０は音響トランスジューサー５２の出力信号５６をリアルタイムで処理する例えばコンピュータから構成されている。特殊なソフトウェアは音響トランスジューサー５２のディジタル出力信号を濾過及び変換して固体粒子流の質量流の測定値をそこから導く。なお、実際には、音響トランスジューサー５２で感知された構造体発生音波の周波数と振幅が、これらの粒子の単位時間あたり衝撃の数、これらの粒子の質量、すなわち言い換えれば固体粒子の質量流を表す。
測定室１６を再度参照すると、衝撃面５０に当たる粒子はそれて測定室１６に至ることが注目される。それら粒子は出口連結部２０を介してこの測定室１６を出て空気パイプラインの下流部分１２で固体粒子流１２’を形成する。
【００１６】
測定室１６は出口連結部２０の入口開口２８の下流に閉端８０がある。この閉端８０には、点を付した面８２で概略的に示したように、粒状材料が満たされている。この閉端８０に堆積した材料が測定室１６を摩耗しないようにしていることが分かるだろう。
図２は衝撃体の別の実施態様を示している。この衝撃体３４’は図１の衝撃体３４とは、主に、衝撃ヘッド４０’が入口連結部１８の中心軸１８’に同軸の凸状円錐衝撃面５０’を形成している点で相違している。この円錐衝撃面５０’はその面に当たる固体粒子を半径方向に曲げる。そのような半径方向への曲げは、曲がった粒子が僅かにしか衝撃面５０′に当たる前の固体／ガスジェットを妨害しない利点がある。言い換えれば、コンパクトな固体／ガスジェットが衝撃ヘッド３４の場合よりコンパクトで均一のままであり、固体粒子において衝撃面５０’への衝突を妨げられるものが少ない。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】空気パイプライン内の固体粒子の質量流をモニターするための本発明に係る装置の概略断面図である。
【図１】
2005515462.tif 000003
【図２】
2005515462.tif 000004
【国際調査報告】
2005515462.tif 000005
2005515462.tif 000006