(57)【要約】【課題】配管への穴あけや溶接接合などの加工を必要とせず配管に容易に適用でき配管内部の圧力を測定することである。【解決手段】配管内圧算出手段１４は、周方向歪み検出装置１５で検出した配管表面の周方向歪みεθ、軸方向歪み検出装置１６で検出した配管表面の軸方向歪みεｚ、ヤング率算出手段１３で求めた配管材のヤング率Ｅ及び入力装置１７から入力された配管の内径外径比ｋに基づいて、ポアソン比νとしたとき、ｐ＝（εθ−εｚ）Ｅ｛（ｋ２−１）／（１＋ν）｝により、配管の内圧をｐを求める。【選択図】図１
2009150676.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
配管表面の周方向の歪みを検出する周方向歪み検出装置と、配管表面の軸方向の歪みを検出する軸方向歪み検出装置と、配管の温度を検出する温度検出器と、前記温度検出器で検出した配管温度に基づいて配管材のヤング率を算出するヤング率算出手段と、前記配管の内径外径比を入力する入力装置と、前記周方向歪み検出装置で検出した配管表面の周方向歪み、前記軸方向歪み検出装置で検出した配管表面の軸方向歪み、前記ヤング率算出手段で求めた配管材のヤング率及び前記入力装置から入力された配管の内径外径比に基づいて前記配管の内圧を求める配管内圧算出手段とを備え、前記配管内圧算出手段は、配管表面の周方向の歪みをεθ、配管表面の軸方向の歪みをεｚ、配管材のヤング率をＥ、配管の内径外径比をｋとしたとき、下記式から配管の内圧ｐを求めることを特徴とする配管内圧測定装置。
ｐ＝（εθ−εｚ）Ｅ｛（ｋ２−１）／（１＋ν）｝
ただし、νはポアソン比。
【請求項２】
前記周方向歪み検出装置及び前記軸方向歪み検出装置は、配管の表面に光ファイバを付設し、配管の歪みに応じて前記光ファイバの伸びを計測して配管の周方向または軸方向の歪みを検出する歪みセンサであることを特徴とする請求項１記載の配管内圧測定装置。
【請求項３】
配管表面の周方向の歪みεθ、配管表面の軸方向の歪みεｚを検出し、一方、配管の温度を検出して検出した配管温度に基づいて配管材のヤング率Ｅを算出し、入力された配管の内径外径比ｋ、検出された配管表面の周方向歪みεθ及び配管表面の軸方向歪みεｚ、算出された配管材のヤング率Ｅに基づいて、下記式から配管の内圧ｐを求めることを特徴とする配管内圧測定方法。
ｐ＝（εθ−εｚ）Ｅ｛（ｋ２−１）／（１＋ν）｝
ただし、νはポアソン比。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は配管内部の液体や気体の圧力を測定する配管内圧測定装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
各種プラントの配管内部の液体または気体の圧力を測定する配管内圧測定装置は、配管から圧力を導くための枝管を設け、その先にブルドン圧力計や半導体式圧力計が取り付けられて構成されている。
【０００３】
圧力測定装置として、二次圧導入ポートには一次圧導入ポートに接続される流体の圧力とは相違した圧力の流体を案内する配管が接続され、二次圧導入ポートに連通する圧力室にブルドン管を配置するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１１−２８１５１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、配管内部の液体または気体の圧力を測定する際にブルドン管式圧力計や半導体式圧力計を用いる場合には、圧力計を配置するための工事が必要となる。例えば、配管に穴加工し導圧管を穴部にねじ込んだり、溶接接合する等の加工が必要である。また、プラントの配管設備の設置後に圧力計を取り付ける必要が生じた場合には、配管設備の停止と取り付け工事とが必要になりコストがかかる。また、圧力計の取り付け後は接合部が増えるために漏洩等の危険性がある。
【０００５】
本発明の目的は、配管への穴あけや溶接接合などの加工を必要とせず配管に容易に適用でき配管内部の圧力を測定できる配管内圧測定装置及び方法を得ることである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１の発明に係わる配管内圧測定装置は、配管表面の周方向の歪みを検出する周方向歪み検出装置と、配管表面の軸方向の歪みを検出する軸方向歪み検出装置と、配管の温度を検出する温度検出器と、前記温度検出器で検出した配管温度に基づいて配管材のヤング率を算出するヤング率算出手段と、前記配管の内径外径比を入力する入力装置と、前記周方向歪み検出装置で検出した配管表面の周方向歪み、前記軸方向歪み検出装置で検出した配管表面の軸方向歪み、前記ヤング率算出手段で求めた配管材のヤング率及び前記入力装置から入力された配管の内径外径比に基づいて前記配管の内圧を求める配管内圧算出手段とを備え、前記配管内圧算出手段は、配管表面の周方向の歪みをεθ、配管表面の軸方向の歪みをεｚ、配管材のヤング率をＥ、配管の内径外径比をｋとしたとき、下記式から配管の内圧をｐを求めることを特徴とする。  
ｐ＝（εθ−εｚ）Ｅ｛（ｋ２−１）／（１＋ν）｝
ただし、νはポアソン比。
【０００７】
請求項２の発明に係わる配管内圧測定装置は、請求項１の発明において、前記周方向歪み検出装置及び前記軸方向歪み検出装置は、配管の表面に光ファイバを付設し、配管の歪みに応じて前記光ファイバの伸びを計測して配管の周方向または軸方向の歪みを検出する歪みセンサであることを特徴とする。
【０００８】
請求項３の発明に係わる配管内圧測定方法は、配管表面の周方向の歪みεθ、配管表面の軸方向の歪みεｚを検出し、一方、配管の温度を検出して検出した配管温度に基づいて配管材のヤング率Ｅを算出し、入力された配管の内径外径比ｋ、検出された配管表面の周方向歪みεθ及び配管表面の軸方向歪みεｚ、算出された配管材のヤング率Ｅに基づいて、下記式から配管の内圧ｐを求めることを特徴とする。  
ｐ＝（εθ−εｚ）Ｅ｛（ｋ２−１）／（１＋ν）｝
ただし、νはポアソン比。
【発明の効果】
【０００９】
本発明よれば、配管表面の周方向歪みと配管表面の軸方向歪みとを計測し、これら歪みに基づいて配管内部の圧力を求めるので、歪み検出装置を配管外面に設置するだけで済み簡便で低コストである。また、配管に穴あけ加工や溶接が必要なくなるので配管設備の信頼性も向上する。
【００１０】
さらに、配管表面の周方向歪みと配管表面の軸方向歪みとの歪みの差分を用いて配管の内圧を求めるので、配管材の熱膨張による歪み分を除去することができ配管内圧の測定精度が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の実施の形態に係わる配管内圧測定装置の一例を示す構成図である。配管の温度Ｔは温度検出器１１で検出され、演算装置１２のヤング率算出手段１３に入力される。温度検出器１１は配管の温度を検出するものである。例えば、熱電対や測温抵抗体または光ファイバ等で直接計測される。また、配管の保温がある部分では内部流体の温度を配管温度とすることもできるので、流体の温度を検出する温度検出器からの計測データを用いることも可能である。また、配管材のヤング率は温度依存性があるために、配管の温度が高い場合または配管の肉厚が大きい場合には、配管径方向のヤング率の分布をなくすために配管に保温を巻くことが望ましい。
【００１２】
温度検出器１１で検出された配管温度Ｔはヤング率算出手段１３に入力され、ヤング率算出手段１３において配管材のヤング率Ｅが算出される。配管材のヤング率Ｅは温度依存性があるので、予め準備した温度−ヤング率曲線から求める。
【００１３】
ヤング率算出手段１３は、配管温度が室温近辺のときはヤング率一定として一定値を出力するようにしてもよい。ヤング率算出手段１３で算出されたヤング率Ｅは配管内圧算出手段１４に入力される。
【００１４】
一方、周方向歪み検出装置１５で検出された配管表面の周方向の歪みεθ及び軸方向歪み検出装置１６で検出された配管表面の軸方向の歪みεｚは配管内圧算出手段１４に入力される。周方向歪み検出装置１５や軸方向歪み検出装置１６は、歪みゲージあるいは光ファイバを用いた歪みセンサ等が用いられる。また、配管内圧算出手段１４には、入力装置１７から配管の内径外径比ｋが入力される。配管の内径外径比ｋは配管の設計データもしくは実測値によって求める。
【００１５】
配管内圧算出手段１４は、ヤング率算出手段１３で算出された配管材のヤング率Ｅ、周方向歪み検出装置１５で検出された配管表面の周方向の歪みεθ、軸方向歪み検出装置１６で検出された配管表面の軸方向の歪みεｚ、及び入力装置１７から入力された配管の内径外径比ｋに基づいて配管の内圧ｐを算出する。配管内圧算出手段１４で算出された配管の内圧ｐは記憶装置１８に記憶されるとともに出力装置１９に出力される。出力装置１９は、例えば表示装置や印字装置である。
【００１６】
次に、配管内圧算出手段１４での配管の内圧ｐの算出について説明する。配管の内径外径比をｋ、配管の内圧をｐ、配管材のヤング率をＥ、ポアソン比をν、配管の温度をＴ、配管材の熱膨張係数をαとしたとき、配管表面の周方向の歪みεθは（１）式で示され、配管表面の軸方向の歪みεｚは（２）式で示される。
【００１７】
εθ＝｛（２−ν）／（ｋ２−１）｝・｛ｐ／Ｅ｝＋Ｔα  …（１）
εｚ＝｛（１−２ν）／（ｋ２−１）｝・｛ｐ／Ｅ｝＋Ｔα  …（２）
配管材の熱膨張による歪みＴαの影響を除去するために、（１）式及び（２）式の差分を求め、配管の内圧ｐを求めると（３）式が得られる。
【００１８】
ｐ＝（εθ−εｚ）Ｅ｛（ｋ２−１）／（１＋ν）｝  …（３）
このように、本発明の実施の形態では、配管表面の周方向歪みεθと配管表面の軸方向の歪みεｚとを計測することで、（３）式に基づき配管内部の液体または気体の圧力ｐを測定する。
【００１９】
図２は、本発明の実施の形態に係わる配管内圧測定装置の測定対象である配管の一例の斜視図である。図２では、配管２０の肉厚が長手方向に均一な場合を示しており、配管２０の内径がａであり配管２０の外径がｂであり、配管２０の内径外径比ｋがｋ＝ｂ／ａである場合を示している。そのような配管２０の表面の周方向歪みεθを周方向歪み検出装置１５で検出し、配管表面の軸方向の歪みεｚを軸方向歪み検出装置１６で検出する。また、配管２０の肉厚が長手方向に均一な場合だけでなく、配管２０の肉厚がテーパー上に緩く変化する場合にも適用できる。また、内径外径比ｋは常に一定の定数として扱うことができるように、配管の減肉や酸化スケール等の配管内径の変化や配管外部腐食による外径の変化がない場合に適用する。
【００２０】
図３は、周方向歪み検出装置１５及び軸方向歪み検出装置１６として光ファイバを用いた光ファイバ歪み検出センサの一例を示す構成図である。周方向歪み検出装置１５は、光ファイバ２１Ａと、配管２０の表面に位置する光ファイバ２１Ａに屈曲部２２Ａと、光ファイバ２１Ａに光を送信し屈曲部２２Ａの周方向の伸びによって生じた光を受信する光送信部２３Ａと、光送信部２３Ａから受信したベンディング散乱光、ブリルアン散乱光、ブラッグ反射光などのうち何れかを測定することにより配管の周方向の歪みεθを検出する周方向歪み検出部２４Ａとから構成される。
【００２１】
同様に、軸方向歪み検出装置１６は、光ファイバ２１Ｂと、配管２０の表面に位置する光ファイバ２１Ｂに屈曲部２２Ｂと、光ファイバ２１Ｂに光を送信し屈曲部２２Ｂの軸方向の伸びによって生じた光を受信する光送信部２３Ｂと、光送信部２３Ｂから受信したベンディング散乱光、ブリルアン散乱光、ブラッグ反射光などのうち何れかを測定することにより配管の軸方向の歪みεｚを検出する軸方向歪み検出部２４Ｂとから構成される。
【００２２】
図４は光ファイバ歪み検出センサでの歪み検出の原理説明図であり、図４（ａ）は配管２０に取り付けた光ファイバ２１の屈曲部２２（光ファイバ歪み検出センサ部分）の初期状態を示し、図４（ｂ）は配管２０に伸びが生じた状態での屈曲部２２の光ファイバ２１の状態を示している。
【００２３】
図４（ａ）に示すように、光ファイバ２１には伸びを検出するための屈曲部２２が設けられており、この屈曲部２２を挟んで固定部２５ａ、２５ｂにより光ファイバ２１を配管２０に固定する。いま、図４の点線矢印で示すように、Ａ方向から光ファイバ２１に所定の強度の光を入射したとすると、光は光ファイバ２１を通りＢ方向に進行する。この場合、屈曲部２２において外部に漏れ光が生じるので、屈曲部２２を透過した後のＢ箇所での光強度はＡ箇所の光強度より小さくなる。
【００２４】
一方、図４（ｂ）に示すように、配管２０に実線矢印で示す伸びΔｄが生じたとすると屈曲部２２が伸びる。この屈曲部２２の伸びにより屈曲部２２における漏れ光が少なくなるので、屈曲部２２を透過した後のＢ箇所の光強度は、伸びΔｄが生じていない健全な場合（図４（ａ）の場合）よりも大きくなる。
【００２５】
図５は光ファイバ２１の屈曲部２２における歪みと透過光強度との関係を示すグラフである。配管２０の外面に光ファイバ２１の屈曲部２２を配置し、光ファイバ２１に光を入射するとともに、配管２０の内圧を変化させて配管表面に歪みを発生させ、屈曲部２２の透過光強度を測定することにより、配管２０の内圧に応じて発生する歪みを計測した。
【００２６】
図５に示すように、光ファイバ２１の屈曲部２２を配管２０に配置した初期状態では、屈曲部２２の透過光強度は約３４．９ｄＢあり、配管２０の内圧を変化させて歪みを約１６μＳＴとしたときの屈曲部２２の透過光強度は約３４．９５ｄＢ、歪みが約３０μＳＴのときの屈曲部２２の透過光強度は約３５．００ｄＢである。以下同様に、配管２０の内圧を変化させて、歪みと透過光強度との関係をプロットすると関係曲線Ｓが得られる。
【００２７】
図６は本発明の実施の形態に係わる配管内圧測定方法の内容を示すフローチャートである。まず、配管の温度Ｔ、配管表面の周方向歪みεθまたは軸方向歪みεｚを検出する（Ｓ１）。そして、配管の温度Ｔに基づいて配管材のヤング率Ｅを求め（Ｓ２）、前述の（３）式に基づいて配管の内圧を算出する（Ｓ３）。算出した配管の内圧は記憶装置１８に記憶するともに出力装置１９に出力する（Ｓ４）。
【００２８】
本発明の実施の形態によれば、周方向歪みεθと軸方向歪みεｚとを計測して、（３）式により配管の内圧を求めることにより、配管材の熱膨張による歪みの影響を除去した配管の内圧ｐを求めることができる。また、歪み検出装置１５、１６の中でも特に光ファイバを歪み検出装置として用いた場合は、電力を供給する必要もなく施行が容易で電磁波の影響によるノイズや歪み値のドリフトも少なく、精度のよい計測が長時間可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施の形態に係わる配管内圧測定装置の一例を示す構成図。
【図２】本発明の実施の形態に係わる配管内圧測定装置の測定対象である配管の一例の斜視図。
【図３】本発明の実施の形態における周方向歪み検出装置及び軸方向歪み検出装置として光ファイバを用いた光ファイバ歪み検出センサの一例を示す構成図。
【図４】本発明の実施の形態における光ファイバ歪み検出センサでの歪み検出の原理説明図。
【図５】図４に示した光ファイバの屈曲部における歪みと透過光強度との関係を示すグラフ。
【図６】本発明の実施の形態に係わる配管内圧測定方法の内容を示すフローチャート。
【符号の説明】
【００３０】
１１…温度検出器、１２…演算装置、１３…ヤング率算出手段、１４…配管内圧算出手段、１５…周方向歪み検出装置、１６…軸方向歪み検出装置、１７…入力装置、１８…記憶装置、１９…出力装置、２０…配管、２１…光ファイバ、２２…屈曲部、２３…光送受信部、２４Ａ…周方向歪み検出部、２４Ｂ…軸方向歪み検出部、２５…固定部
【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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