(57)【要約】 【課題】複数の基本周波数の超音波素子を複数並列配置させたセンサを用いることによって、複数の反射体の測定線方向並びに超音波素子配列方向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３は複数の基本周波数を有する超音波素子列を備え、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平面上の速度分布を検知できる。信号切替器６は、使用する超音波素子により送受信される信号の切り替えを行う。速度分布計７は、使用するセンサ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９は、センサの設置位置や角度、対象とする流体の条件、センサの超音波素子のサイズや数などの基本情報の入力を演算回路８に行う。演算回路８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１０でデータ処理した後、表示装置１１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を並べた超音波素子列と、
上記超音波素子列によって平面上に超音波を送受信できるセンサと、
上記センサのうち使用する超音波素子を切り替える信号切替器と、
上記信号切替器からのセンサへ出力する信号処理制御装置と、
上記使用したセンサからの信号を入力し2次平面における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2次平面における速度分布を、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て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表示装置を有する超音波混相流測定装置。
【請求項２】
複数の超音波素子を並列させた超音波素子列を複数有するセンサにより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から、速度分布計において2次平面における速度分布を算出する工程と、
大小異なる反射体からの超音波エコーから、大小異なる反射体のそれぞれ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一本の測定線を持つ超音波によって、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】
速度計測において、異なる周波数の超音波素子を有するセンサを用いることによって、複数の異なる反射体の速度分布が同時に獲得可能であることが開示されている（例えば、特許文献３参照。）。
【０００７】
また、同じ周波数を持つ超音波素子を直線状に配列したセンサを用いることで、単相流での2次平面における速度分布が取得できることが開示されている（例えば、非特許文献２参照）。
【０００８】
【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）
【特許文献３】特開２００５−２９２１０１号公報  （第２−４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】林田拓也、他３名、“超音波アレイを用いた流速分布計測手法に関する研究”、平成２０年３月１５日、日本機械学会関東支部第１４期総会講演会講演論文集、ｐ．２３５−２３６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
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、複数の超音波素子を持つセンサにおいて、それぞれの周波数の特性に適応した大きさを持つ反射体の単測定線上の速度分布のみが得られ、複数の大小異なる反射体の複測定線上における速度分布を得るためには、複数の周波数を有するセンサを複数用いる必要がある。また、同じ周波数及び同形状の超音波素子を配列したセンサを用いた計測では、特定の大きさの反射体の速度分布のみが獲得できる。そのため、同時刻の同位置において、大小異なる反射体の複測定線上のそれぞれの速度分布を得る同時計測は不可能である。
【００１０】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、単一のセンサに複数の超音波素子列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複測定線上における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】
【００１１】
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を並べた超音波素子列と、上記超音波素子列によって平面上に超音波を送受信できるセンサと、上記センサのうち使用する素子を切り替える信号切替器と、上記信号切替器からのセンサを出力する信号処理制御装置と、上記使用したセンサ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表示装置を有するものである。
【００１２】
また、本発明の超音波混相流測定方法は、複数の超音波素子を有するセンサにより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から、速度分布計において測定線方向と素子配列方向の速度分布を算出する工程と、大小異なる反射体からの超音波エコーから、大小異なる反射体のそれぞれ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】
【００１３】
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によれば、複数の超音波素子および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。
【００１４】
また、請求項２記載の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、各相の瞬時断面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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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にかかる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。
【００１６】
本発明は、複数の超音波素子列によって構成されるセンサを用いて発振された、複測定線上の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。
【００１７】
センサ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が複数並列された、超音波素子列Ａ４および超音波素子列Ｂ５から構成されている。また、各超音波素子列は独立して制御することができる。
【００１８】
センサ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。
【００１９】
センサ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３で受信する。
【００２０】
センサ３は信号切替器６によって超音波送受信を行う超音波素子の切り替えを制御し、速度分布計７で超音波の発信および受信信号が制御される。受信した信号は、速度分布計７に出力する。この送受信を繰り返す。
【００２１】
速度分布計７において、センサ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複数の測定線方向の速度分布を算出する。
【００２２】
演算回路８では、速度分布計７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。
【００２３】
信号処理制御装置９は、発信した複数の超音波周波数、超音波素子列Ａ４および超音波素子列Ｂ５の素子数、大きさならびに位置、センサ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８に出力することができる。
【００２４】
演算回路８は、速度分布計７からの速度分布、ならびに信号処理制御装置９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。
【００２５】
速度分布計７と信号処理制御装置９および演算回路８の速度分布値と制御値および計算された複数の測定線上の各反射体の速度情報は画像処理装置１０により最適化され、表示装置１１に表示される。
【００２６】
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、複数の測定線および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。
【００２７】
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。
【００２８】
つぎに、超音波混相流測定方法にかかる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。
【００２９】
Ｓ１により測定が開始されると、Ｓ３に示すように、センサに配列されている複数の超音波素子のうち超音波送受信に使用する超音波素子の切り替えを行う。
Ｓ４に示すように、センサ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。
Ｓ５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。
【００３０】
Ｓ６、Ｓ７に示すように、異なる基本周波数によるセンサ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。
Ｓ８に示すように、異なる超音波素子と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。
全ての超音波素子の切り替えを行い、充分な回数の測定を行うまで、Ｓ２に戻り、上記Ｓ３からＳ８までの過程を繰返す。
【００３１】
Ｓ９に示すように、センサの位置情報、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。
Ｓ１０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。
Ｓ１１に示すように、上記に示した確率密度分布とセンサの基本情報から大小の反射体の速度分布を算出する。
Ｓ１２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、断面速度平均分布、標準偏差、高次モーメント等の統計量を算出する。
Ｓ１３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。
Ｓ１４で終了する。
【００３２】
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、複数の測定線における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。
【００３３】
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】
【００３４】
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に限定されるものではないことはもちろんである。
【００３５】
ここでは、矩形管流路における、水と空気における気泡流において、流路断面における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。
【００３６】
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平均粒子径が約80μmの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７として市販の超音波流速分布計（Met-flow社製UVP-Duo）を用いた。超音波素子列Ａ４は素子サイズ1〜3mm角の超音波素子が100〜200個配列されており、基本周波数は5〜10MHzとした。超音波素子列Ｂ５は素子サイズ5〜10mm角の超音波素子が20〜100個配列されており、基本周波数は0.5〜2MHzとした。それぞれを信号切替器６を介して、速度分布計７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率密度分布を算出する。
【００３７】
図５では、各超音波素子列に配列されている超音波素子の内、素子番号１の超音波素子を用いた際の、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。超音波素子列Ａ４によって液相速度が主に計測され、超音波素子列Ｂ５によって液相速度よりも速い気泡速度が主に計測されることがうかがえる。そして、これより気泡速度と液相速度の分離のためのしきい値を得ることができる。
【００３８】
また、図６は各超音波素子列における素子番号１の超音波素子を用いた際の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、単測定線計測において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。
【００３９】
さらに、図７は、100mm×20mmの断面を持つ流路内での層流条件の単相流において、超音波素子列Ａ４の各超音波素子を切り替えて速度分布を計測した。結果より、流路断面における上向きの液相平均速度分布を求めることができる。
【００４０】
図８は計測に用いるセンサにおける異なる周波数の超音波素子列の配置位置を示す。(a)に示すセンサは、超音波素子列Ａ４と超音波素子列Ｂ５を１列ずつ配置することで、２つの平面流速分布を取得できるが、それぞれの素子列間の距離だけ測定位置が異なる。一方、(b)では、周波数の高い超音波素子列Ａ４を、周波数の低い２つの超音波素子列Ｂ５で挟むことで同じ測定平面で計測できる。つまり、２つの超音波素子列Ｂ５を用い、素子形状および発振超音波特性を適切に設定することで、２つの位置から発振される超音波の合成によって、実際の超音波ビームは超音波素子列Ａ４と同平面に形成され、同位置での測定を行うことが可能になる。
【００４１】
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、それぞれの相の流路断面における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。
【００４２】
上述では、異なる計測対象において、複数の超音波素子列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。
【００４３】
また、上述では、一つの超音波センサ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、異なる方向から複数のセンサ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】
【００４４】
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。
【００４５】
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といった微生物のバイオリアクター内流動の流れ場解析による微生物培養の効率化にも応用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の超音波混相流測定装置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。
【図７】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８】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。
【符号の説明】
【００４７】
１  測定部
２  制御部
３  センサ
４  超音波素子列Ａ
５  超音波素子列Ｂ
６  信号切替器
７  速度分布計
８  演算回路
９  信号処理制御装置
１０  画像処理装置
１１  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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【図７】
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【図８】
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