(57)【要約】【課題】超音波による液面レベルの計測結果の健全性が確保されているか否かの判断を容易とする液面レベルの計測技術を提供する。【解決手段】液面レベルの計測装置１０は、液体２０に接触する壁２１の内表面２２とは反対側の外表面２３にスペーサ２４を介して設置される超音波センサ２５における超音波の送信及びそのエコーの受信を制御する送受信制御部１１と、外表面２３からの第１エコー２６及び液体２０の境界面（内表面２２）からの第２エコー２７を検出するエコー検出部１２と、第２エコー２７に基づいて液体２０の液面レベル２８を判定する液面レベル判定部１３と、第１エコー２６の強度に基づいてこの液面レベル２８の判定結果の健全性を確認する確認部１４と、を備えている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体に接触する壁の内表面とは反対側の外表面にスペーサを介して設置される超音波センサにおける超音波の送信及びそのエコーの受信を制御する送受信制御部と、
前記外表面からの第１エコー及び前記液体の境界面からの第２エコーを検出するエコー検出部と、
前記第２エコーに基づいて前記液体の液面レベルを判定する液面レベル判定部と、
前記第１エコーの強度に基づいて前記液面レベルの判定結果の健全性を確認する確認部と、を備えることを特徴とする液面レベルの計測装置。
【請求項２】
請求項１に記載の液面レベルの計測装置において、
前記超音波センサは、前記外表面の側面に設けられ、
前記液面レベルは、前記第２エコーの強度に基づいて前記超音波センサの位置に対して上側か下側かについて判定されることを特徴とする液面レベルの計測装置。
【請求項３】
請求項１に記載の液面レベルの計測装置において、
前記超音波センサは、前記外表面の下面に設けられ、
前記液面レベルは、前記第２エコーの伝搬時間に基づく前記超音波センサの位置からの距離について判定されることを特徴とする液面レベルの計測装置。
【請求項４】
請求項１又は請求項３に記載の液面レベルの計測装置において、
前記超音波センサは、前記外表面の上面に設けられ、
前記液面レベルは、前記第２エコーの伝搬時間に基づく前記超音波センサの位置からの距離について判定されることを特徴とする液面レベルの計測装置。
【請求項５】
請求項４に記載の液面レベルの計測装置において、
前記超音波センサは、前記外表面の上面及び下面のそれぞれに設けられ、
送信周期の位相をずらして前記超音波が相互に送信されることを特徴とする液面レベルの計測装置。
【請求項６】
液体に接触する壁の内表面とは反対側の外表面にスペーサを介して設置される超音波センサにおける超音波の送信及びそのエコーの受信を制御するステップと、
前記外表面からの第１エコー及び前記液体の境界面からの第２エコーを検出するステップと、
前記第２エコーに基づいて前記液体の液面レベルを判定するステップと、
前記第１エコーの強度に基づいて前記液面レベルの判定結果の健全性を確認するステップと、を含むことを特徴とする液面レベルの計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、超音波を用いた液面レベルの計測技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電プラントにおける主蒸気ヘッダ、湿分分離器及び給水加熱器等の設備に設けられたドレンタンクの水位測定には、フロート式又はコンプレッサー式のレベルスイッチもしくは電子式差圧伝送器が用いられている。
これら設備は、放射性物質が含まれる高温・高圧の炉蒸気が充満し、活性ガス(水素)が発生する等の理由により、水位測定に使用できる計器が限定される。
特に、活性ガス(水素)が発生すると、計器類のデットエンドに蓄積し爆発による損傷が懸念される他、構成にダイヤフラムを含む伝送器では、透過した水素の影響による指示値の変動が生じる懸念があった。
【０００３】
このような懸念に対し、活性ガス(水素)が蓄積し難い構造としたり、水素が透過し難い金メッキダイヤフラムを採用したりする対策が取られている。
しかし、これら計器は、溶接施工する際に溶接検査を実施し、製造中止となった場合はメーカーに特別注文して供給を継続させる等の理由により、ライン維持コストの高騰を招いている。さらに、寿命も短いという課題も指摘されている。
このような課題を解消するために、タンクや配管に対する追加工が不要又は軽微であり、液面から隔離された空間に計器を配置することができる超音波を用いた液面レベルの計測技術が注目されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−１４００２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
超音波を用いた液面レベルの計測は、超音波を送信して複数回反射したエコーを受信するが、受信信号にノイズが多く含まれるため、計測結果の健全性が確保されているか否かの判断が困難である。
本発明の実施形態は、このような事情を考慮してなされたもので、超音波による液面レベルの計測結果の健全性が確保されているか否かの判断を容易とする液面レベルの計測技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態に係る液面レベルの計測装置において、液体に接触する壁の内表面とは反対側の外表面にスペーサを介して設置される超音波センサにおける超音波の送信及びそのエコーの受信を制御する送受信制御部と、前記外表面からの第１エコー及び前記液体の境界面からの第２エコーを検出するエコー検出部と、前記第２エコーに基づいて前記液体の液面レベルを判定する液面レベル判定部と、前記第１エコーの強度に基づいて前記液面レベルの判定結果の健全性を確認する確認部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の実施形態により、超音波による液面レベルの計測結果の健全性が確保されているか否かの判断を容易とする液面レベルの計測技術が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施形態に係る液面レベルの計測装置の第１適用例を示す図。
【図２】（Ａ）は第１適用例において超音波パルス信号の送信タイミングを示すグラフ、（Ｂ）は液面レベルが超音波センサ位置よりも下位である場合のエコー信号の受信タイミングを示すグラフ、（Ｃ）は液面レベルが超音波センサ位置よりも上位である場合のエコー信号の受信タイミングを示すグラフ。
【図３】実施形態に係る液面レベルの計測装置の第２適用例を示す図。
【図４】実施形態に係る液面レベルの計測装置の第３適用例を示す図。
【図５】（Ａ）は第２適用例及び第３適用例において超音波パルス信号の送信タイミングを示すグラフ、（Ｂ）は第２適用例におけるエコー信号の受信タイミングを示すグラフ、（Ｃ）は第３適用例におけるエコー信号の受信タイミングを示すグラフ。
【図６】実施形態に係る液面レベルの計測装置の第４適用例を示す図。
【図７】（Ａ）は第４適用例において液中を伝搬する超音波パルス信号の送信タイミングを示すグラフ、（Ｂ）は第４適用例において液中を伝搬するエコー信号の受信タイミングを示すグラフ、（Ｃ）は第４適用例において気中を伝搬する超音波パルス信号の送信タイミングを示すグラフ、（Ｄ）は第４適用例において気中を伝搬するエコー信号の受信タイミングを示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（第１適用例）
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に示すように本実施形態に係る液面レベルの計測装置１０は、液体２０に接触する壁２１の内表面２２とは反対側の外表面２３にスペーサ２４を介して設置される超音波センサ２５における超音波の送信及びそのエコーの受信を制御する送受信制御部１１と、外表面２３からの第１エコー２６及び液体２０の境界面（内表面２２）からの第２エコー２７を検出するエコー検出部１２と、第２エコー２７に基づいて液体２０の液面レベル２８を判定する液面レベル判定部１３と、第１エコー２６の強度に基づいてこの液面レベル２８の判定結果の健全性を確認する確認部１４と、を備えている。
【００１０】
本実施形態は、発電プラントにおける主蒸気ヘッダ、湿分分離器及び給水加熱器等の設備に設けられた計装配管３０に溜まった液体２０の水位測定について解説する。
図１に示される第１適用例において超音波センサ２５は、壁２１の外表面２３の側面に設けられ、液面レベル２８は、第２エコー２７の強度に基づいて超音波センサ２５の位置に対して上側か下側かについて判定される。
【００１１】
超音波センサ２５は、取付治具兼接触式のスペーサ２４を介して壁２１の外表面２３に設置されている。
そして、送受信制御部１１から図２（Ａ）に示すように、一定の繰り返し周期で電圧パルスを出力すると、超音波センサ２５が励振して超音波ビームが送信される。
この超音波ビームは、均一な物質中では反射しないという特性をもつために、スペーサ２４を直進し、壁２１の外表面２３との境界面において、この境界面を透過する成分と反射する成分とに分かれる。
【００１２】
このスペーサ２４と外表面２３との境界面における反射は、第１エコー２６（図２）として送受信制御部１１に検出される。
そして、このスペーサ２４と外表面２３との境界面を透過した成分は、壁２１の内表面２２を反射して第２エコー２７（図２）として送受信制御部１１に検出される。
この第２エコー２７は、壁２１の外表面２３との間で減衰や散乱により消失するまで反射を繰り返し、この外表面２３を透過した成分２９が送受信制御部１１に検出される。
【００１３】
図２（Ｂ）のグラフは、液面レベルが超音波センサ２５の位置よりも下位である場合のエコー信号の受信タイミングを示している。
このように、超音波センサ２５で受信される第２エコー２７ａは、壁２１の内表面２２における反射点が気体であるときは信号強度が大きい。
【００１４】
図２（Ｃ）のグラフは、液面レベルが超音波センサ２５の位置よりも上位である場合のエコー信号の受信タイミングを示している。
このように、超音波センサ２５で受信される第２エコー２７ｂは、壁２１の内表面２２における反射点が液体２０であるときは信号強度が小さい。
さらに、壁内の繰り返し反射成分２９の信号強度も気体と液体における違いが表れる。
【００１５】
一方で、超音波センサ２５で受信される第１エコー２６の信号強度は、液面レベルには依存せず、エコー検出部１２における検出結果の健全性に依存する。
つまり、超音波センサ２５が感度異常をきたしていたり、スペーサ２４と壁２１の外表面２３との境界面が接触不良であったりした場合は、第２エコー２７ａ，２７ｂともに強度が正常に検出されないが、これに連動して第１エコー２６の強度も正常に検出されない。
【００１６】
従って、エコー検出部１２により外表面２３からの第１エコー２６を検出し、その強度に基づき、健全性確認部１４において超音波センサ２５の健全性のセルフチェックを行う。
超音波センサ２５及び送受信制御部１１が正常に動作していれば、常に同じ信号強度の第１エコー２６が現出される。
そのうえで、エコー検出部１２により検出された第２エコー２７の強度に基づき判定部１３でなされた液面レベル２８の判定結果の健全性を確保する。
【００１７】
境界面における超音波の反射率Ｒは、次式より導かれる。
反射率Ｒ＝（Ｚ1−Ｚ2）／（Ｚ1＋Ｚ2）    （式１）
反射強度Ｒ2＝（Ｚ1−Ｚ2）2／（Ｚ1＋Ｚ2）2    （式２）
Ｚ1は境界面から超音波センサ２５に近い側の物質インピーダンス
Ｚ2は境界面から超音波センサ２５に遠い側の物質インピーダンス
ここで、
水のインピーダンスα＝約１．５×１０6ｋｇ／ｍ2／ｓ
アルミニウムのインピーダンスβ＝約１．７３×１０7ｋｇ／ｍ2／ｓ
空気のインピーダンスγ＝約４．０８×１０2ｋｇ／ｍ2／ｓ
【００１８】
健全性確認部１４は、エコー検出部１２から取得した第１エコー２６の信号強度を、第１閾値ｍに照らし、超音波センサ２５の健全性のチェックを行う。
具体的には、第１エコー２６の信号強度が、第１閾値ｍよりも大きければ健全性が確保されている判断し、小さければ健全性が確保されていないと判断する。
そして、この超音波センサ２５の健全性に問題がある場合は、その旨を結果出力部１５に出力する。
液面レベル判定部１３は、エコー検出部１２から取得した第２エコー２７の信号強度を、第２閾値に照らし、液体２０の液面レベル２８を判定する。
壁内の繰り返し反射成分２９の信号強度も液面レベル２８の判定に利用できる。
【００１９】
液面レベル２８を判定する第２閾値は次式の反射強度Ｒ2に基づき適正値を設定する。
液面がセンサ位置よりも下側：Ｒa2＝（β−γ）2／（β＋γ）2    （式３）
液面がセンサ位置よりも上側：Ｒb2＝（α−β）2／（α＋β）2    （式４）
インピーダンスの関係は、γ<<α<<βと大きく差異がある為、反射強度Ｒ2は、常にＲa2＞Ｒb2の関係が得られる。
この判定閾値に基づいて、液面レベル２８が超音波センサ２５の位置に対し上側か下側かについての判定結果が、結果出力部１５に出力される。
【００２０】
（第２適用例）
図３に示される第２適用例において超音波センサ２５は、壁の外表面２３の下面に設けられ、液面レベル２８は、第２エコー２７の伝搬時間に基づいて超音波センサ２５の位置からの距離ｘについて判定される。
第２適用例で用いられる液面レベルの計測装置１０は、図１に記載の構成を有する。
なお、図３において図１と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。
【００２１】
健全性確認部１４における超音波センサ２５の健全性のセルフチェックの動作は、第２適用例においても第１適用例と同様であるために、重複説明を省略する。
第２適用例においてエコー検出部１２は、外表面２３からの第１エコー２６と、液体２０を伝搬しその境界面（液面レベル２８）からの第２エコー２７とを、検出する。
そして、第２適用例において液面レベル判定部１３は、エコー検出部１２から取得した第２エコー２７の伝搬時間から液体２０の液面レベル２８を判定する。
【００２２】
超音波の大気中の伝搬速度ε＝３４０ｍ／ｓｅｃ、水中の伝搬速度ζ＝約１５００ｍ／ｓｅｃ、鉄・アルミニウム等の金属中の伝搬速度η＝約５０００ｍ／ｓｅｃである。
この特性を利用して、超音波センサ２５、スペーサ２４、計装配管３０の壁２１の肉厚及び液面レベル２８の設定範囲を考慮したパラメータをセットする。
【００２３】
送受信制御部１１から図５（Ａ）に示すように、一定の繰り返し周期で電圧パルスを出力すると、スペーサ２４と外表面２３との境界面における反射は、第１エコー２６（図５（Ｂ））として送受信制御部１１に検出される。
そして、このスペーサ２４と外表面２３との境界面を透過した成分は、液体２０を伝搬して液面レベル２８を反射して第２エコー２７（図５（Ｂ））として送受信制御部１１に検出される。
なお、図５に記される符号３１ａは、壁２１の内表面２２と液体２０の境界面からの反射信号３１ａである。
【００２４】
ここで、
超音波センサ２５からスペーサ２４と外表面２３の境界面までの距離Ｌ1、
超音波センサ２５から内表面２２と液体２０の境界面までの距離Ｌ2、
超音波センサ２５から液面レベル２８までの距離ｘとすると、
超音波ビームが照射されてから、エコーを受信するまでの時間、即ち、距離Ｌ1の伝搬時間ｔ1、距離Ｌ2の伝搬時間ｔ2、距離ｘの伝搬時間ｔxは、下式の通りとなる。
【００２５】
距離Ｌ1の伝搬時間：ｔ1＝（Ｌ1／η）×２    （式５）
距離Ｌ2の伝搬時間：ｔ2＝（Ｌ2／η）×２    （式６）
距離ｘの伝搬時間：ｔx＝（Ｌ2／η＋ｘ／ζ）×２    （式７）
【００２６】
ここで、
Ｌ1，Ｌ2は、固定値であるために、同様に、ｔ1，ｔ2も、固定値となる。
第１エコー２６は、電圧パルスを出力後、時間ｔ1経過後に検出され、反射信号３１ａは、電圧パルスを出力後、時間ｔ2経過後に検出される。
（式７）を変形した（式８）により、伝搬時間ｔxの検出値から液面レベル２８までの距離ｘを求めることができる。
ｘ＝ζ・ｔx／２−Ｌ2・ζ／η    （式８）
【００２７】
ここで、図５（Ｂ）に示される第１エコー２６は、常に同じ周期かつ同じ信号強度で受信されるため、セルフチェック用の信号として好適であるが、反射信号３１ａは、ボイド等の気泡によりインピーダンスが変動する影響のため信号強度は必ずしも一定でないためセルフチェック用の信号として適切でない。
なお第２エコー２７は液体２０と気体の境界面におけるインピーダンスの差が大きい為、安定した反射信号が得られる。
【００２８】
（第３適用例）
図４に示される第３適用例において超音波センサ２５は、壁の外表面２３の上面に設けられ、液面レベル２８は、第２エコー２７の伝搬時間に基づいて超音波センサ２５の位置からの距離ｙについて判定される。
第２適用例で用いられる液面レベルの計測装置１０は、図１に記載の構成を有する。
また、第３適用例は、第２エコー２７が液体２０を伝搬するのではなく、気体を伝搬する点のみにおいて第２適用例と相違する。
このために、第３適用例において第２適用例の記載を援用できる説明については、適宜省略する。
【００２９】
健全性確認部１４における超音波センサ２５の健全性のセルフチェックの動作は、第３適用例においも第１適用例と同様であるために、重複説明を省略する。
第３適用例においてエコー検出部１２は、外表面２３からの第１エコー２６と、気体を伝搬しその境界面（液面レベル２８）からの第２エコー２７とを、検出する。
そして、第３適用例において液面レベル判定部１３は、エコー検出部１２から取得した第２エコー２７の伝搬時間から液体２０の液面レベル２８を判定する。
【００３０】
送受信制御部１１から、図５（Ａ）に示すような一定の繰り返し周期の電圧パルスを出力すると、スペーサ２４と外表面２３との境界面における反射は、第１エコー２６（図５（Ｃ））として送受信制御部１１に検出される。
そして、このスペーサ２４と外表面２３との境界面を透過した成分は、気体を伝搬して液面レベル２８を反射して第２エコー２７（図５（Ｃ））として送受信制御部１１に検出される。
なお、図５（Ｃ）に記される符号３１ｂは、壁２１の内表面２２と気体の境界面からの反射信号３１ｂである。
【００３１】
ここで、気中の伝搬速度νとすると、前記（式７）に対応する（式９）が得られ、この（式９）を変形した（式１０）により、伝搬時間ｔyの検出値から液面レベル２８までの距離ｙを求めることができる。
距離ｙの伝搬時間：ｔy＝（Ｌ2／η＋ｙ／ν）×２    （式９）
ｙ＝ν・ｔy／２−Ｌ2・ν／η    （式１０）
【００３２】
（第４適用例）
図６に示される第４適用例において超音波センサ２５（２５ａ，２５ｂ）及びスペーサ２４（２４ａ，２４ｂ）は、外表面２３の上面及び下面のそれぞれに設けられ、図７（Ａ）（Ｃ）に示すように、送信周期の位相をずらして超音波が相互に送信される。
なお、図６において図１と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。
【００３３】
上面及び下面の超音波センサ２５（２５ａ，２５ｂ）の送信周期の位相は、相互に１８０°ずれるように設定されることが望ましい。
第４適用例によれば、上面及び下面の超音波センサ２５（２５ａ，２５ｂ）のそれぞれから送受信される超音波及びそのエコー波が互いに干渉することが防止され、システムの二重化が安定的に達成される。
【００３４】
以上述べた少なくともひとつの実施形態の液面レベルの計測装置によれば、スペーサを介して超音波センサを取り付けて、壁の外表面からのエコーの強度を検出することにより、液面レベルの判定結果の健全性を容易に確認することが可能となる。
【００３５】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００３６】
１０…液面レベルの計測装置、１１…送受信制御部、１２…エコー検出部（検出部）、１３…液面レベル判定部（判定部）、１４…健全性確認部（確認部）、１５…結果出力部、２０…液体、２１…壁、２２…内表面、２３…外表面、２４（２４ａ，２４ｂ）…スペーサ、２５（２５ａ，２５ｂ）…超音波センサ、２６…第１エコー、２７（２７ａ，２７ｂ）…第２エコー、２８…液面レベル、２９…反射成分、３０…計装配管、３１ａ，３１ｂ…反射信号。
【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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【図６】
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【図７】
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