(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が流通する配管の外周面に非接触状に電磁超音波発信器を近接して配置し、この電磁超音波発信器の上流側および下流側の前記電磁超音波発信器から第１次干渉超音波が到達する位置に超音波検出器を配管の外周面に非接触状に配置し、前記電磁超音波発信器により配管又は流体中に超音波を生起し、流体中を伝播してきた超音波エネルギーにより流体及び配管を振動させ、配管又は流体中の磁場を前記超音波の振動により変動させ、この変動磁場を前記超音波検出器により検出して超音波伝達時間τと上流側超音波到達点と下流側超音波到達点を検知し、電磁超音波発信器を基準点として前記両到達点までの距離、即ち、上流側距離Ｌｕと下流側距離Ｌｄを算定し、これらのパラメータから流体の音速ｃを導出し、この音速ｃから流体温度Ｔを測定することを特徴とする電磁超音波を用いた非接触型流体温度測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は配管内を流動する流体の温度の測定方法に関し、更に詳細には、電磁超音波を用いることにより、配管の外側に超音波発信器と超音波検出器を非接触状態に配置して流体温度を測定できるようにした電磁超音波を用いた非接触型流体温度測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波により物体の温度を測定する超音波温度計は、特開平７−２４３９２１号公報に開示されている。この公報では、人体やマグロ肉等の物体をプラスチック容器内に配置し、プラスチック容器の外側に容器に接触させた状態で超音波発振素子と超音波受信素子を対向状に配置し、超音波の伝達時間から物体中の音速を測定し、物体中の音速が物体温度によって変化することを利用して、物体の温度を決定するようにしたものである。
【０００３】
この方法は、プラスチック容器内部の物体温度が常温程度の場合には何等問題はないが、物体温度が数百℃の高温やプラスチック容器が振動する場合には、多くの問題を生じることになる。
一般に、超音波発振素子や超音波受信素子には圧電素子が用いられている。この圧電素子は、プラスチック表面に密着させなければ内部に超音波が伝達しない性質を有しており、そのため、プラスチック表面に接触媒質の介在を不可欠としている。特開平９−１３８１４９号公報等では、この接触媒質を超音波伝達子とよんでいる。
【０００４】
測定される物体が高温である場合、プラスチック表面も高温になる。その結果、圧電素子は誤作動を起し易くなり、温度を正常に測定できなくなる。又、物体温度が超低温や極超低温の場合にも圧電素子は誤作動を起こし、正確な温度測定が困難になる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、配管外から流体の温度を正確に測定することは、多くの産業分野から要請されている。例えば、原子力工学における増殖炉では、約４００℃の液体ナトリウムが作動流体として用いられているが、配管外からの安全確実な液体ナトリウムの温度測定が必須の課題となっている。
【０００６】
しかし、従前の超音波温度計は、実際的には圧電素子による超音波の発生とその検出ということであるため、配管外表面への密着剤として接触媒質が必要となり、長期の測定環境には適さない。又、圧電素子を接着するとしても、高温・振動等の厳しい環境下では、安定した計測の実例がないのが現状である。更に、圧電素子の交換においても、このような極端な環境下では圧電素子の交換自体が困難となり、補修を容易に行なえないと云う問題がある。
【０００７】
本願発明は、従前の超音波温度計を用いた温度測定に於ける上述の如き問題の解決を課題とするものであり、超音波発信器と超音波検出器を配管の外周面に非接触状態に配置して、配管内の流体の温度を安定に、しかも高精度で測定できるようにした非接触型流体温度測定方法を提供することを、発明の第１目的とするものである。
又、本発明は、超音波発振器や超音波検出器を配管と非接触にすることにより、機械的振動や高温等の極端な悪条件が発振器や検出器へ直接に伝達しないようにして、安定した温度測定や保守点検、部品交換等をできるようにした非接触型流体温度測定方法を提供することを、発明の第２目的とするものである。
更に、上記超音波の検出において、本発明者が既に出願している高分解能超音波センサーを用いれば、高精度に音速を測定でき、従って流体温度を正確に導出できることを、発明の第３目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明は、流体が流通する配管の外周面に非接触状に電磁超音波発信器を近接して配置し、この電磁超音波発信器の上流側および下流側の前記電磁超音波発信器から第１次干渉超音波が到達する位置に超音波検出器を配管の外周面に非接触状に配置し、前記電磁超音波発信器により配管又は流体中に超音波を生起し、流体中を伝播してきた超音波エネルギーにより流体及び配管を振動させ、配管又は流体中の磁場を前記超音波の振動により変動させ、この変動磁場を前記超音波検出器により検出して超音波伝達時間τと上流側超音波到達点と下流側超音波到達点を検知し、電磁超音波発信器を基準点として前記両到達点までの距離、即ち、上流側距離Ｌｕと下流側距離Ｌｄを算定し、これらのパラメータから流体の音速ｃを導出し、この音速ｃから流体温度Ｔを測定することを発明の基本構成とするものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明者は、高温や振動等の影響を回避するには、超音波発信器や超音波検出器を配管の外周面近傍に非接触状態に配置するのが望ましいとの着想を得た。そして、この非接触条件を実現するために鋭意研究した結果、超音波発信器としては電磁超音波発信器を用い、また超音波検出器としては磁場変動を検出する超音波検出器が最適であるとの結論に到った。
【００１３】
流体温度を測定するためには、まず流体中を伝播する超音波の音速ｃを測定する。超音波の伝達媒質である流体が決まれば、流体温度Ｔと音速ｃとの間には関数関係Ｔ＝ｇ（ｃ）が成立している。例えば、空気を考えると、音速ｃ（ｍ／ｓ）と温度Ｔ（℃）の間には、ｃ＝３３１＋０．６Ｔの線形関係が成立している。従って、Ｔ＝（ｃ−３３１）／０．６＝ｇ（ｃ）が成立する。全ての気体・液体に対して、このような関係式が成立している。つまり、音速ｃから一義的に流体温度Ｔが求まり、各流体毎に、Ｔ＝ｇ（ｃ）の関係式が異なるだけに過ぎない。
【００１４】
従って、流体温度Ｔを決めるためには、流体の配管内での流速ｃを決定することが前提となる。流速ｃは、前述した電磁超音波発信器と変動磁場検出型の超音波検出器により、高温や振動等の極端条件下であっても容易に決定することができる。
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
【００１５】
図１は本発明に係る非接触型流体温度測定方法の第１実施形態の概要説明図である。直径Ｄの配管６の中を流体８が流速ｕで矢印方向に流動している。配管６の外周面近傍には、電磁超音波発信器２と超音波検出器４が配管の直径方向に非接触状態で配置されている。
【００１６】
音速ｃと流速ｕの測定方法を簡単に説明すると、電磁超音波発信器２が超音波を発信してから時間τ後に超音波検出器４がその超音波を検出したとする。もし流体８が静止していれば点線で表わす静止到達点Ｏに到達するが、実際には媒質である流体８が流速ｕで流動しているため、実線の流動到達点Ｐに到達する。
【００１７】
もし流体８が静止していた場合、点線で示すように静止伝達距離ＰＴは直径Ｄになる。超音波は、音速ｃで静止伝達距離ＰＴを走行するのに時間τだけ掛ることになり、ＰＴ＝ｃτが成立する。従って、ｃ＝ＰＴ／τ＝Ｄ／τにより音速ｃが求まる。他方、間隔ＯＰをΔＬで表わすと、ΔＬはｕτに等しいはずであり、これから流速ｕはｕ＝ΔＬ／τで算出できる。
【００１８】
図２は電磁超音波発信器２の斜視図であり、複数の永久磁石２ａを磁極を相互に反転させながら組み合わせ、その上面にコイル２ｂを蛇行して構成されている。間隔ｄは磁極の反復単位を与え、２本の同極磁石間の間隔である。磁石の本数は任意に選択でき、最終的に、横Ｗ、縦Ｋ、高さＨのサイズに構成される。
【００１９】
図３は電磁超音波発信器２の発信機構の説明図である。本図では、図２に示す電磁超音波発信器２が逆転して配管６の近傍に非接触に配置されている。
コイル２ｂに高周波電流（例えば７００〜２００ＫＨＺ）を記号方向に流すと、配管６内に図示方向に渦電流が流れる。この渦電流は磁石２ａの磁力線Ｍと相互作用して、実線矢印方向にローレンツ力Ｆが作用する。このローレンツ力Ｆが配管内の金属に縦波超音波を生起し、高周波電流の周波数と同じ振動数の超音波が発生する。
【００２０】
このようにして発生した超音波はＬ波（Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ  Ｗａｖｅ）であるが、本発明で使用する電磁超音波発信器は如何なる構成のものであってもよいが、発生する超音波は流体８を伝播する必要性から縦波が選ばれる。また、電磁超音波発信器は配管６と非接触であっても近接さえしていれば、超音波を流体８に伝達することができる。
【００２１】
図３では配管６の金属部に超音波を誘起する場合を示したが、流体に超音波を直接誘起することもできる。流体８が液体金属の場合には、渦電流を流体中に生起できる。例えば、原子力工学の増殖炉で用いられる液体ナトリウムは高い電気伝導性を有しているため、渦電流が流体中に生起し、流体に直接、超音波を誘起できる。
【００２２】
図４は超音波の伝播方向の説明図である。電磁超音波発信器２の磁石２ａの個々から超音波が発生していると考えると、超音波の干渉により、超音波は特定方向にのみ射出されることになる。角度θ方向に射出される２本の超音波の位相差ΔはΔ＝ｄｓｉｎθで与えられ、これが波長λの整数倍のときに強め合い、ｄｓｉｎθ＝ｎλが成立する角度θ方向にのみ超音波は伝播してゆく。
【００２３】
従って、ｎ＝０ではθ＝０となり、第０次干渉超音波は配管６の直径方向に伝播する。ｎ＝１ではｄｓｉｎθ＝λ、即ちθ＝ｓｉｎ-1（λ／ｄ）の角度方向に第１次干渉超音波が伝播する。更に、θ＝ｓｉｎ-1（ｎλ／ｄ）で与えられる角度方向に第ｎ次干渉超音波が伝播し、それ以外の方向では超音波が弱め合って伝播しない。但し、次数（ｏｒｄｅｒ）ｎが大きくなるに従って、超音波強度は減衰してゆく。つまり、超音波測定には第０次や第１次等の低次干渉超音波が有効である。
【００２４】
図５は図１の要部拡大図で、第０次干渉超音波の検出状態図である。超音波検出器４は複数の検出器ユニット４ａを列設して構成されたアレイ型検出器である。このアレイ型検出器では、到達点の検出はデジタル的に行なわれる。例えば、超音波は多少拡がっているため、静止到達点Ｏは複数の検出器ユニット４ａで検出されるが、その検出出力のピーク値を与える検出器ユニット４ａの位置が静止到達点Ｏを与える。流動到達点Ｐも同様に決定され、間隔ＯＰ＝ΔＬは検出器ユニット何個分の間隔として定められる。また、超音波伝達時間τは高精度に測定できる。
【００２５】
一般に、音速は流速に比べ非常に速いため、ΔＬは小さな値となる。従来型の検出素子では検出面積が大きいためΔＬを分解受信することが困難であった。本発明者は、既に非接触型で超高分解能の検出素子を開発し、出願している。この検出素子は超薄型の検出器ユニット４ａであり、これを用いることによりΔＬを高精度に測定することが可能になった。
【００２６】
超音波検出器４としては前記アレイ型検出器であってもよいが、１つの検出器ユニット４ａを配管軸方向に移動できるようにしてもよい。つまり、検出器ユニット４ａを掃引して検出強度の最大点を流動到達点Ｐとする。
その他、超音波検出器４には種々の型式のものが利用できる。
【００２７】
図６は検出器ユニット４ａの一例の構成図である。コ字型のコアー４ｂの先端には磁石４ｃ、４ｃが設けられ、また中央部には検出コイル４ｄがコアーに巻回されている。今、配管６が超音波により垂直矢印方向に動いたとすると、磁石４ｃの作用で配管内に渦電流が生起する。この渦電流による磁力線がコアー４ｂ内に侵入して検出コイル４ｄにより超音波が検出される。コアーギャップ４ｅの大きさが超音波の検出分解能を与える。
この検出器ユニット４ａは変動磁場を検出するため、配管６に対し非接触に配置できる。磁石４ｃがなくても、配管６の中に残留磁気があったり、流体８中に磁気があれば、これらの磁気により渦電流が生起して超音波が検出できる。
【００２８】
この検出器ユニット４ａについては図示の構成に限られず、既に本発明者が公開している特願平１０−３６３４５３号、特願平１０−３６３４５４号、特願平１１−２０２６４３号に記載のユニットも利用できる。勿論、その他公知の超音波検出器も利用できるが、配管６に対し非接触に配置して検出できるものならば、本発明に利用できる。
【００２９】
本発明の重要点は、電磁超音波発信器２と超音波検出器４が配管の外周面に対し非接触に配置できる点である。配管が高温等の極端条件にあっても、非接触であるから、直接的な影響を受け難い。また、非接触であるから、電磁超音波発信器と超音波検出器の冷却も可能であり、これらの機器の耐久性を保証することができる。同時に、交換作業も容易に行なえる等の効果を有する。
【００３０】
図７は本発明の第２実施形態の概要説明図である。図１が第０次干渉超音波を用いるのに対し、図７は第１次干渉超音波を用いる点に特徴を有する。例えば、超音波検出器４を電磁超音波発信器２の直径方向前方に置く余地が物理的にない場合や、配管直径Ｄが超音波パルス幅に比して小さい場合には検出精度が悪くなるので、径路の長い第１次干渉超音波が用いられる。
【００３１】
図８は本発明の第３実施形態の概要説明図である。超音波検出器４を電磁超音波発信器２と同じ側に設けている。例えば、配管６の奥側の空間がない場合には、両装置２、４を同じ側に置く必要がある。この場合には反射波を検出するので、第１次干渉超音波を用いる。より高次の干渉超音波を用いてもよいが、高次になる程信号強度が低下するので、注意が必要である。
【００３２】
図７及び図８の測定方法は図１と全く同様である。点線の全長である静止伝達距離ＰＴは角度θが決まれば、図７ではＰＴ＝Ｄ／ｃｏｓθ、図８ではＰＴ＝２Ｄ／ｃｏｓθからＰＴが定まる。超音波伝達時間τは、超音波発射時刻と超音波検出時刻の差として決定できるから、音速ｃはｃ＝ＰＴ／τを通して算出できる。
【００３３】
一方、静止到達点Ｏと流動到達点Ｐの間隔ＯＰがΔＬとなり、ΔＬ＝ｕτの関係式が成立する。従って、超音波到達時間τを計測することにより、ｕ＝ΔＬ／τにより流速ｕが測定される。
【００３４】
図９は流体の流速および流量の測定フローチャートである。ステップｎ１でｔ＝０の時刻に電磁超音波を発射し、ｔ＝τの時刻に超音波を検出（ｎ２）する。この時間間隔τが超音波到達時間となる。静止伝達距離ＰＴはシステムが決まれば幾何学的に定まるから、音速ｃをｃ＝ＰＴ／τ（ｎ３）から求める。次に、Ｔ＝ｇ（ｃ）の温度音速関係式（ｎ４）から流体温度Ｔを最終的に導出する。
【００３５】
図１０は本発明の第４実施形態の概要説明図である。配管６の中には流体８が流速ｕで矢印方向に流動している。配管６の上側には電磁超音波発信器２が配置され、逆側には上流側超音波検出器４ｕと下流側超音波検出器４ｄが配置されている。両検出器４ｕ、４ｄが複数の検出器ユニットの集合体であるのは超音波検出器４と同様である。
【００３６】
本実施形態では第１次干渉超音波（ｎ＝１）を用いるが、その理由は超音波パルスの間隔に比して伝達径路を長くとるために斜行径路を用い、超音波パルスを正確に検出して、測定精度を高めるためである。点線は静止流体での径路を表わし、角度θはθ＝ｓｉｎ-1（λ／ｄ）で与えられる。もし流体が静止していれば、上流側及び下流側とも超音波は静止到達点Ｏ1 、Ｏ2 に到達するであろう。しかし、流体は流速ｕで流動しているため、超音波は上流側超音波到達点Ｐ1 と下流側超音波到達点Ｐ2 に到達する。超音波伝達時間をτとすると、Ｏ1 Ｐ1 ＝ｕτ、Ｏ2 Ｐ2 ＝ｕτとなる。
【００３７】
まず、第ｎ次干渉超音波を用いた場合の一般式を導出する。中心点をＯとし、ＯＰ1 ＝Ｌu 、ＯＰ2 ＝Ｌd 、ＯＯ1 ＝Ｌ、ＯＯ2 ＝Ｌとすると、Ｌu ＝Ｌ−ｕτ、Ｌd ＝Ｌ＋ｕτとなる。
これからＬu ＋Ｌd ＝２Ｌとなる。一方、点線で表わされる斜辺の長さ、つまり静止伝達距離ｃτからＬ＝ｃτ・ｓｉｎθとなり、Ｌu ＋Ｌd ＝２ｃτ・ｓｉｎθとなる。またｄｓｉｎθ＝ｎλよりｓｉｎθ＝ｎλ／ｄである。超音波振動数ｆよりλ＝ｃ／ｆとなり、ｓｉｎθ＝ｎｃ／ｄｆとなる。故に、Ｌd ＋Ｌu ＝２ｎｃ2 τ／ｄｆから、ｃ＝｛ｄｆ（Ｌd ＋Ｌu ）／２ｎτ｝1/2 となる。
【００３８】
従って、上流側距離Ｌu 、下流側距離Ｌd および超音波伝達時間τの３個のパラメータを検出すれば音速ｃが算出できる。干渉次数ｎ、間隔ｄ、振動数ｆは事前に与えられている。通常は第１次干渉超音波（ｎ＝１）を用いるから、ｃ＝｛ｄｆ（Ｌd ＋Ｌu ）／２τ｝1/2 により音速は求められる。
【００３９】
また、流速ｕはｕ＝（Ｌd −Ｌu ）／２τで算出されることが分る。つまり流速ｕも上流側距離Ｌu 、下流側距離Ｌd および超音波伝達時間τの３種類のパラメータで算出できることが分る。上流側および下流側の超音波到達点Ｐ1 、Ｐ2 は超音波検出器４ｕ、４ｄにより正確に求められるから、上式により音速ｃと流速ｕは正確に導出できる。
【００４０】
図１１は本発明の第５実施形態の概要説明図である。図１０との相違点は、上流側超音波検出器４ｕと下流側超音波検出器４ｄを電磁超音波発信器２と同じ側に配置したことである。配管６の逆側にこれら装置を配置する空間がない場合に有効である。従って、本実施形態では第１次干渉超音波を反射させて測定する。
【００４１】
図１２は図１１の展開図である。従って、上下間隔が配管直径Ｄの２倍になる。この展開図で超音波の検出を考えると図１０と全く同様になる。流速ｕはｕ＝（Ｌd −Ｌu ）／２τ、音速ｃはｃ＝｛ｄｆ（Ｌd ＋Ｌu ）／２τ｝1/2 で算出される。超音波伝達時間τは一回反射して到達した時間であり、上流側距離Ｌu と下流側距離Ｌd は図示の通りである。
【００４２】
図１３は、図１０および図１１に対する流体の温度の測定フローチャートである。ステップｎ１１でｔ＝０の時刻に電磁超音波を発射し、ｔ＝τの時刻に超音波を検出（ｎ１２）する。同時に、上流側距離Ｌu と下流側距離Ｌd を算出（ｎ１３）し、干渉次数ｎ（ｎ１４）を用いて、音速ｃが導出（ｎ１５）される。最後に、温度・音速関係式（ｎ１６）を通して流体温度Ｔが決定される。
【００４３】
図１４〜図１６は電磁超音波発信器２の発信器ユニット２ｃの実施例である。図１４の発信器ユニット２ｃを連接すれば前記した電磁超音波発信器２を構成できる。図１５および図１６の発信器ユニット２ｃは形状が異なるが、発信器２の単位となる点では同様である。
【００４４】
各発信器ユニット２ｃのコイル２ｂを接続してもよいし、各コイル２ｂを個々に分離してもよい。分離した場合には、各コイル２ｂを流れる電流の位相を制御することが必要になる。接続して１本線にした場合には、図２に示すように位相制御は必要でなくなる。いずれにしても、公知の技術を適用することができる。
【００４５】
本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲における種々の変形例、設計変更等をその技術的範囲内に包含するものである。
【００４６】
【発明の効果】
本願発明によれば、配管の外周面上に非接触状態で電磁超音波発信器と超音波検出器を配置して流体温度を測定するようにしているため、流体の高温性や配管の機械的振動などの影響を受けることなしに極端な悪条件下での測定が可能となる。その結果、測定系の長寿命化を図れると共に、保守点検や部品交換などの作業を容易化することができる。
【００４７】
また、本願発明によれば、配管直径が短かい場合でも、第１次干渉超音波を利用して超音波の走行径路を長くして温度測定の精度向上を図ることが出来ると共に、電磁超音波発信器の対向面の空間に余裕がない場合にも活用することができ、測定系の配置の多様化を図ることができる。
【００４９】
更に、本願発明によれば、超音波強度の大きな第１次干渉超音波を利用するから、流体温度測定の正確性を期することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る非接触型流体温度測定方法の第１実施形態の概要説明図である。
【図２】電磁超音波発信器の斜視図である。
【図３】電磁超音波発信器の発信機構の説明図である。
【図４】超音波の伝播方向の説明図である。
【図５】図１の要部を拡大した第０次干渉超音波の検出状態図である。
【図６】検出器ユニットの一例の構成図である。
【図７】本発明の第２実施形態の概要説明図である。
【図８】本発明の第３実施形態の概要説明図である。
【図９】流体温度の測定フローチャートである。
【図１０】本発明の第４実施形態の概要説明図である。
【図１１】本発明の第５実施形態の概要説明図である。
【図１２】図１１の展開図である。
【図１３】図１０および図１１に対する流体温度の測定フローチャートである。
【図１４】電磁超音波発信器の発信器ユニットの第１実施例である。
【図１５】電磁超音波発信器の発信器ユニットの第２実施例である。
【図１６】電磁超音波発信器の発信器ユニットの第３実施例である。
【符号の説明】
２は電磁超音波発信器、２ａは磁石、２ｂはコイル、２ｃは発信器ユニット、４は超音波検出器、４ａは検出器ユニット、４ｂはコアー、４ｃは磁石、４ｄは検出コイル、４ｅはコアーギャップ、４ｕは上流側超音波検出器、４ｄは下流側超音波検出器、６は配管、８は流体、ｃは音速、Ｄは配管直径、ｄは間隔、ｆは超音波振動数、Ｆはローレンツ力、Ｈは高さ、Ｋは縦、Ｌu は上流側距離、Ｌd は下流側距離、Ｍは磁力線、ｎは干渉次数、ＰＴは静止伝達距離、Ｗは横、Δは位相差。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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