(57)【要約】【課題】  複数の基本周波数の超音波素子を有するセンサーを用いることによって、複数の反射体の速度分布獲得が可能な測定装置を提供すること。【解決手段】  センサー３は複数の基本周波数を有する超音波素子を備え、異なる複数の周波数による超音波を発信し、それぞれの周波数によって直線上の速度分布を検知できる。速度分布計６は、使用するセンサーからの複数の周波数による信号を入力し、それぞれの速度分布を計算する。信号処理制御装置８は、センサーの設置位置や角度、対象とする流体の条件、センサーの超音波素子の径などの基本情報の入力を演算回路７に行う。演算回路７は異なる周波数によって計測された速度分布を演算し、速度の確率密度分布を演算し、各超音波に適する異なる反射体の速度分布を獲得する。それらの演算結果を画像処理装置９でデータ処理した後、表示装置１０で統計諸量が表示される。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる複数の周波数を送受信できる超音波素子と、
上記超音波素子によって直線上に超音波を送受信できるセンサーと、
上記センサーのうち使用するセンサーを出力する信号処理制御装置と、
上記使用したセンサーからの信号を入力し速度分布を計算する速度分布計と、
上記速度分布計から得られた速度分布を、大小異なる反射体の速度に変換する演算回路と、
上記演算回路からの信号を入力し画像処理する画像処理装置と、
上記画像処理装置からの信号を出力する出力装置を有する超音波混相流測定装置および超音波混相流測定方法。
【請求項２】
複数の周波数によって超音波を送受信する工程と、
使用するセンサーよりパルス超音波を発信し、流れ場に混入している大小異なる反射体からの超音波エコーを受信する工程と、
複数の周波数の超音波エコーをそれぞれ速度分布計に入力する工程と、
大小異なる反射体からの超音波エコーを速度分布計において測定線方向の速度分布を算出する工程と、
大小異なる反射体の反射体からの超音波エコーから、大小異なる反射体の速度分布を算出する工程と、
演算回路からの信号を入力し画像処理する工程と、
画像処理装置からの信号を出力する工程を有する超音波混相流測定装置および超音波混相流測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、原子炉や火力発電所などのプラントにおける沸騰状態、大小異なる反射体の存在する流動状態、大小異なる反射体による混合過程などの、混相流における流れ場解析や流れ場モニタリングへ応用できる超音波混相流測定装置および超音波混相流測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】  従来、パルス超音波を用いた流速測定装置が報告されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。この流速測定装置は一種類の超音波周波数によって、流体中に混入するゴミや気泡などの反射体による超音波エコーの反射によって反射体の速度を計測するものであり、流体の速度場計測、流動のモニタリングなどに用いられている。【０００３】  パルス超音波を用いた混相流における上記の流速測定手法の適応としては、混相流における一種類の反射体における速度の計測手法があり、気泡流への適応方法が開示されている（例えば、非特許文献１参照。）。【０００４】  上述のパルス超音波を用いた流速測定装置は、超音波素子を配管外側に設置することによって非接触に配管内の流体を計測でき、液体金属などの不透明流体にも適応できるという利点がある。【０００５】  このような、超音波を用いた混相流計測では、一種類の周波数による超音波によって、その周波数の特性に適応する反射体からの超音波エコーを演算し、処理することによって特定の反射体における速度を計測する手法である。【０００６】  また、超音波素子の大きさおよび対象とする混相流の流動条件の違いによって、計測される速度データの統計量が異なることが開示されている（例えば、非特許文献２参照。）。【０００７】
【特許文献１】特開２００３−３４４１３１号公報  （第４−１０頁、第１図）
【特許文献２】特開２００４−６１１０９号公報  （第１１−１８頁、第１図）
【非特許文献１】村川英樹、他５名、“気液二相流における超音波計測とワイヤーメッシュトモグラフィ計測の比較”、平成１５年８月５日、日本機械学会  ２００３年度年次大会講演論文集、ｐ．２７１−２７２
【非特許文献２】村川英樹、他４名、“超音波流測分布流測計を用いた気液二相流計測における測定体積の影響”、平成１３年７月１２日、日本混相流学会  年会講演会２００１講演論文集、ｐ．１５−１６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】  しかしながら、上述した従来の混相流における測定方法では、一種類のセンサーにおいて、その周波数の特性に適応した径の反射体の速度分布のみが得られ、複数の大小異なる反射体のそれぞれの速度分布を得るためには、複数のセンサーを用いる必要がある。そのため、同時刻の同位置において、大小異なる反射体のそれぞれの速度分布を得る同時計測は不可能である。【０００９】  本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、
単一のセンサーに複数の超音波素子を配置することによって、複数の周波数による超音波の同時送受信を可能とし、それぞれの信号を演算処理することによって大小異なる反射体のそれぞれの速度分布を得る計測を行うことを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】  本発明の超音波混相流測定装置は、異なる複数の周波数を送受信できる超音波素子と、上記超音波素子によって直線上に超音波を送受信できるセンサーと、上記センサーのうち使用するセンサーを出力する信号処理制御装置と、上記速度分布計から得られた速度分布を、大小異なる反射体の速度に変換する演算回路と、上記演算回路からの信号を入力し画像処理する画像処理装置と上記画像処理装置からの信号を出力する出力装置を有するものである。【００１１】  また、超音波混相流測定装置および超音波混相流測定方法は、複数の周波数によって超音波を送受信する工程と、使用するセンサーよりパルス超音波を発信し、流れ場に混入している反射体からの超音波エコーを受信する工程と、複数の周波数の超音波エコーをそれぞれ速度分布計に入力する工程と、複数の周波数の超音波エコーをそれぞれ速度分布計に入力する工程と、それぞれの超音波エコーを速度分布計において測定線方向の速度分布を算出する工程と、演算回路からの信号を入力し画像処理する工程と、画像処理装置からの信号を出力する工程を有する方法である。
【発明の効果】
【００１２】  本発明は、以下に記載されるような効果を奏する。
請求項１記載の超音波混相流測定装置および超音波混相流測定方法によれば、異なる複数の周波数によって速度場を計測可能なことによって、混相流における異なる相の粒子それぞれの速度を、同時かつ同位置にて計測することができる。【００１３】  また、請求項２記載の超音波混相流測定装置および超音波混相流測定方法によれば、異なる大きさによる速度分布の統計量の違いによって、それぞれの相の速度分布を算出可能である。また、各相の瞬時速度分布がモニタリンできることにより、配管内などの直接目視不可能な流体における流動状態の確認を行うことが可能である。また、測定に熟練を要しないので、本発明は既存の工学プラントや流動解析を取り扱う次世代の研究に寄与する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】  以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。
まず、超音波混相流測定装置および超音波混相流測定方法にかかる第１の発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は、本発明の装置を説明するものである。【００１５】  本発明は、複数の超音波素子によって構成されるセンサーを用いて発振された、複数の超音波周波数を使用することによって、同位置および同時刻における混相流の複数の相の流れ場を測定することができる超音波混相流測定装置および超音波混相流測定方法を提供するものであるが、この超音波混相流測定装置は図１に示すように測定部１および制御部２から成り立っている。【００１６】  センサー３には、異種の周波数を送受信するため、異種の共振周波数を有する超音波素子、超音波素子Ａ４および超音波素子Ｂ５から構成されている。また、各超音波素子は独立して制御することができる。【００１７】  センサー３は計測対象の流れ場に、非接触または接触して設置されている。【００１８】  センサー３より異種の周波数によるパルス超音波を発信する。一方の周波数では混相流に存在する大の反射体からのエコーを受信し、他方の周波数では混相流に存在する小の反射体からのエコーを受信し、同じセンサー３で受信する。【００１９】  センサー３は速度分布計６によって超音波の発信および受信信号の制御がされ、受信した信号は、速度分布計６に出力する。この送受信を繰り返す。【００２０】  速度分布計６において、センサー３から送られた異種の周波数によるパルス信号の大小の反射体による反射信号を入力する。その入力信号を処理して複数の周波数による測定線方向の複数の速度分布を算出する。【００２１】  演算回路７では、速度分布計６から得られた各周波数による複数の速度分布情報を入力する。【００２２】  信号処理制御装置８は、発信した複数の超音波周波数、超音波素子Ａ４および超音波素子Ｂ５の大きさならびに位置、センサー３の取り付け角度ならびに位置、計測対象となる混相流の状態を入力することができ、演算回路７に出力することができる。【００２３】  演算回路７は、速度分布計６からの速度分布、ならびに信号処理制御装置８からのデータを入力することができる。これらの情報から複数の反射体の速度分布を獲得する。【００２４】  速度分布計６と信号処理制御装置８および演算回路７の速度分布値と制御値および計算された各反射体の速度情報は画像処理装置９により最適化され、表示装置１０に表示される。【００２５】  以上のことから、本発明を実施するための最良の形態によれば、異なる複数の周波数によって速度場を計測可能なことによって、混相流における異なる相の粒子それぞれの速度を、同時かつ同位置にて計測することができる。【００２６】  なお、本発明は上述の発明を実施するための最良の形態に限らず本発明の要旨を逸脱することなくその他種々の構成を採り得ることはもちろんである。【００２７】  つぎに、超音波混相流測定装置および超音波混相流測定方法かかる第２の発明を実施するための最良の形態について説明する。図２は、本発明の方法を説明するものである。【００２８】  １により測定が開始されると、３に示すように、センサーに設置されている複数の超音波素子にて、異種の基本周波数によるパルス超音波を発信する。
４に示すように一方の周波数では、流れ場に混入している大の反射体からのエコーを受信し、他方の周波数では、流れ場に混入している小の反射体からのエコーを受信する。
５、６に示すように、異なる基本周波数によるセンサーから送られた信号を、それぞれ入力し、入力信号を処理してそれぞれの周波数による測定線方向の速度分布を算出する。
７に示すように、異なる基本周波数による測定線方向の速度分布データを蓄積する。
充分な回数の測定を行うまで、２に戻り、上記３から７までの過程を繰返す。
８に示すように、センサーの位置情報、各周波数による超音波のビーム径、使用した超音波の周波数を演算回路に入力する。
９に示すように、異なる周波数によって計測されたデータを演算回路に入力し、統計的処理によって速度の確率密度分布を獲得する。
１０に示すように、上記に示した確率密度分布とセンサーの基本情報から大小の反射体の速度分布を算出する。
１１に示すように、大小の反射体の速度分布から、大小の反射体の速度平均値、標準偏差、高次モーメント等の統計量を算出する。
１２に示すように、得られた統計処理結果の画像データを表示装置に表示する。
１３で終了する。【００２９】  以上のことから、発明を実施するための最良の形態によれば、異なる大きさによる速度分布の統計量の違いによって、それぞれの相の速度分布を算出可能である。また、各相の瞬時速度分布がモニタリングできることにより、配管内などの直接目視不可能な流体における流動状態の確認を行うことが可能である。また、測定に熟練を要しないので、本発明は既存の工学プラントや流動解析を取り扱う次世代の研究に寄与する。【００３０】  なお、本発明は上述の発明を実施するための最良の形態に限らず本発明の要旨を逸脱することなくその他種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【実施例】
【００３１】  つぎに、本発明にかかる実施例について具体的に説明する。ただし、本発明はこれら実施例も限定されるものではないことはもちろんである。【００３２】  ここでは、円管流路における、水と空気における気泡流において、液相速度分布および気泡速度分布の獲得に関する方法についての例を示す。【００３３】  図３の測定部および図４の装置を用いた。作動流体は水と空気で、超音波の反射体として市販のナイロン微粒子を混入させた。空気は流路下部から注入した。速度分布計６として市販の超音波流速分布計（ＵＶＰ  Ｘ３  ＰＳｉ）を用いた。超音波素子Ａ４は直径３ｍｍで基本周波数は８ＭＨｚとした。超音波素子Ｂ５は直径１０ｍｍで基本周波数は２ＭＨｚとした。それぞれを速度分布計６に接続し、定常状態の気泡流において速度分布の計測を行った。得られた速度分布から、流路内における各測定位置における速度の確立密度分布を算出する。図５では、流路内における一箇所の位置における速度の確率密度分布を示している。超音波素子Ａ４によって液相速度が主に計測され、超音波素子Ｂ５によって気泡速度が主に計測されることがうかがえる。また、図６は各流路内の位置における速度の確立密度分布から、液相速度分布および気泡速度分布を計算した。結果は、気泡速度分布ならびに液相速度分布が同位置・同時間にて計測されたことが分かる。【００３４】  以上のことから、本実施の形態によれば、異なる大きさによる速度分布の統計量の違いによって、それぞれの相の速度分布を算出可能である。また、各相の瞬時速度分布がモニタリンできることにより、配管内などの直接目視不可能な流体における流動状態の確認を行うことが可能である。また、測定に熟練を要しないので、本発明は既存の工学プラントや流動解析を取り扱う次世代の研究に寄与する。【００３５】  上述では、異なる計測対象において、複数の超音波素子にて同位置ならびに同時刻での計測方法について説明したが、これに限定しない。たとえば、異なる流動条件におけるモニタリングや、流動条件の未知な流れにおいて、その流動を把握することができる。【００３６】  また、上述では、一つの超音波センサーを用いた計測方法について説明したが、これに限定されない。たとえば、複数のセンサーを用いることによって３次元ベクトルの獲得が可能である。
また、測定部と制御部が分かれているので、測定部の遠隔操作が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３７】  測定する対象は、混相流として複数の相の計測が可能であることについて述べてきたが、これらの混相流に限定されず、単相流における流動のモニタリングにおいての適応が可能である。【００３８】  また、対象とする流体は気泡や粒子ばかりでなく、生きているバクテリヤや藻類などの微生物の流れ場解析や微生物培養の効率化にも応用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】  本発明の超音波混相流測定装置および超音波混相流測定方法の一実施例を示す概略構成の説明図である
【図２】  本発明の超音波混相流測定装置および超音波混相流測定方法の一実施例を示す説明図である
【図３】  本発明の超音波混相流測定装置および超音波混相流測定方法を用いた一実施例の説明図である。
【図４】  本発明の超音波混相流測定装置および超音波混相流測定方法を用いた一実施例の説明図である。
【図５】  本発明の超音波混相流測定装置および超音波混相流測定方法を用いた一実施例の結果図である。
【図６】  本発明の超音波混相流測定装置および超音波混相流測定方法を用いた一実施例の結果図である。
【符号の説明】
【００４０】    １  測定部
２  制御部
３  センサー
４  超音波素子Ａ
５  超音波素子Ｂ
６  速度分布計
７  演算回路
８  信号処理制御装置
９  画像処理装置
１０  表示装置
【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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