JP7151344B2

JP7151344B2 - 圧力計測装置

Info

Publication number: JP7151344B2
Application number: JP2018186394A
Authority: JP
Inventors: 雅哉田原; 慎吾仲村
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2018-10-01
Filing date: 2018-10-01
Publication date: 2022-10-12
Anticipated expiration: 2038-10-01
Also published as: JP2020056639A

Description

本発明は、圧力計測装置に関する。

工場等には、ボイラ等の接続された配管内部の圧力を計測するための圧力計測装置（圧力計）が設置されている。このような圧力計測装置において、配管内部の流体の漏れ等の事態が想定される場合には、配管工事を行うことなく配管内部の圧力を簡単に計測することが要請されている。従来、クランプオン式で配管内部の圧力を計測する方法として、超音波を配管外部から配管内部に伝搬させ、その伝搬時間の変化から音速を計算し、計算した音速から圧力を求める圧力計測装置（パイプ内圧測定装置）が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許第３７１１８８５号公報

上述した特許文献１に記載の圧力計測装置においては、圧力変化により音速が変化することを前提とする。しかしながら、圧力変化により音速が変化する圧力領域は、限定的であると共に、現実的に製作が可能な超音波振動子や媒体そのものにも影響を受ける。特に、配管内部を気体が流通する場合、４０ｋＨｚ～１ＭＨｚ程度の一般的な超音波の周波数では、圧力変化に伴う音速変化が殆ど発生しないため、音速変化による圧力計測は実質的に困難である。

一方、クランプオン式の超音波流量計は、超音波を配管外部から配管内部に伝搬させて流量を計測するものである。一般に、配管内部の媒体の圧力変化によって超音波の受信感度が変化することが知られており、受信感度の変化から圧力を計測することは可能である。しかしながら、受信感度は、圧力以外にも、配管の状態（材質、肉厚、腐食状態等）や外気温等に影響を受けるため、受信感度変化のみで圧力を計測することは困難である。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、配管状態や外気温の変化等の影響を受けることなく、配管内部の媒体の圧力を精度良く計測することができる圧力計測装置を提供することを目的の一つとする。

本発明の一態様の圧力計測装置は、配管外壁に設置され、配管内の媒体に超音波を発信する超音波発信器と、前記超音波発信器に対向する配管外壁に設置され、前記媒体内を伝搬した超音波を受信する超音波受信器と、前記超音波受信器で受信される超音波の信号振幅に基づいて前記媒体の圧力を演算する演算手段と、を備え、前記演算手段は、配管内壁で異なる回数反射した超音波の第１、第２の信号振幅を算出する振幅算出部と、前記第１の信号振幅と、前記第２の信号振幅との比に基づいて前記媒体の吸収係数を算出する吸収係数算出部と、前記吸収係数に応じて前記媒体の圧力を算出する圧力算出部と、を有し、前記圧力算出部は、前記吸収係数が一定値以上である場合には、前記吸収係数に応じて前記媒体の圧力を算出し、前記吸収係数が前記一定値より小さい場合には、前記第１の信号振幅又は前記第２の信号振幅の大きさに基づいて前記媒体の圧力を算出することを特徴とする。

本発明によれば、配管状態や外気温の変化等の影響を受けることなく、配管内部の媒体の圧力を精度良く計測することができる。

本実施の形態に係る圧力計測装置の構成の説明図である。本実施の形態に係る圧力計測装置で検出される超音波受信波形の一例を示す図である。超音波の周波数と波長当たりの吸収との関係の説明図である。空気の圧力と超音波の吸収係数との関係を周波数毎に示す図である。超音波の拡散減衰を考慮した圧力と超音波の吸収減衰との関係の説明図である。超音波の信号強度と媒体の圧力との関係の説明図である。超音波の信号強度と媒体の圧力との関係の説明図である。

以下、本実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。本発明に係る圧力計測装置は、例えば、ボイラ等により発生され、配管内を流通する蒸気の圧力を計測する際に好適に利用される。しかしながら、本発明に係る圧力計測装置は、これに限定されるものではなく、工場や事業所に設置される任意の配管を流通する媒体の圧力を計測する圧力計測装置に適用することができる。

クランプオン式の超音波流量計は、超音波を配管外部から配管内部に伝搬させて流量を計測するものである。配管工事を行うことなく配管内部の圧力を計測することができるので、配管内部の流体の漏れ等の事態を判定する際に有用である。一般に、配管内部の媒体の圧力変化によって超音波の受信感度が変化することが知られており、受信感度の変化から圧力を計測することが可能である。しかしながら、受信感度は、圧力以外にも、配管の状態（材質、肉厚、腐食状態等）や外気温等に影響を受けるため、受信感度変化のみで圧力を計測することは困難な場合が多い。

本発明者らは、超音波振動子における受信感度変化のみで正確に圧力を計測することが困難であることに着目した。そして、同一条件下で配管内部の媒体のみを伝搬する超音波の信号振幅の比を算出し、その算出結果に基づいて媒体の圧力を計測することが、高精度な圧力計測に寄与することを見出し、本発明に想到した。

すなわち、本発明の骨子は、超音波受信器で受信される超音波の信号振幅に基づいて配管内の媒体の圧力を演算する演算手段を備え、配管内壁で異なる回数反射した超音波の第１、第２の信号振幅の比に基づいて媒体の吸収係数を算出し、当該吸収係数に応じて媒体の圧力を算出することである。

本発明によれば、第１の信号振幅と第２の信号振幅との比に基づいて吸収係数を算出することから、同一条件下で配管内の媒体のみを伝搬する超音波の信号振幅の比に基づいて媒体の吸収係数が算出され、この吸収係数に応じて媒体の圧力が算出される。これにより、配管状態や外気温の変化等の影響を受けることなく、配管内部の媒体の圧力を精度良く計測することができる。

図１は、本実施の形態に係る圧力計測装置１の構成の説明図である。図１に示すように、圧力計測装置１は、工場等に配設された配管１００の外壁（配管外壁）１０１に設置された一対の超音波プローブ１０（１０ａ、１０ｂ）を備えている。圧力計測装置１は、超音波プローブ１０ａから配管１００内の媒体１０２に超音波を発信する一方、超音波プローブ１０ｂで媒体１０２内を伝搬した超音波を受信し、その伝播結果に基づいて媒体１０２の圧力を計測する。

超音波プローブ１０ａ、１０ｂは、配管１００の外壁のうち、対向して配置される外壁１０１ａ、１０１ｂに設置されている。すなわち、超音波プローブ１０ａ、１０ｂは、配管１００を挟んで対向して配置されている。超音波プローブ１０ａは、超音波発信器の一例を構成し、超音波プローブ１０ｂは、超音波受信器の一例を構成する。なお、ここでは、一対の超音波プローブ１０ａ、１０ｂを配管１００の外壁１０１に設置する場合について説明しているが、超音波プローブ１０の数は一対以上であれば任意の数に設定することができる。

超音波プローブ１０ａ、１０ｂには、それぞれ超音波送信部（以下、単に「送信部」という）２１、超音波受信部（以下、単に「受信部」という）２２が接続されている。送信部２１は、所定の周波数の電気信号を超音波プローブ１０ａに入力し、超音波を発生させる。受信部２２は、超音波プローブ１０ｂに入力された超音波信号を電気信号に変換する。超音波プローブ１０ａ及び送信部２１で超音波発信器の一例を構成してもよいし、超音波プローブ１０ｂ及び受信部２２で超音波受信器の一例を構成してもよい。

受信部２２には、演算手段の一例を構成する演算部２３が接続されている。演算部２３は、振幅算出部２３１、吸収係数算出部２３２及び圧力算出部２３３を有している。演算部２３は、受信部２２で受信される超音波の信号振幅に基づいて媒体１０２の圧力を演算する。より具体的には、演算部２３は、受信部２２で超音波から変換された電気信号から信号振幅を算出し、その信号振幅に基づいて媒体１０２の圧力に算出する。

振幅算出部２３１は、配管１００の内壁１０３で反射して超音波プローブ１０ｂで受信するまでの超音波信号（電気信号）の信号振幅を算出する。例えば、振幅算出部２３１は、受信部２２から送出される超音波信号の受信波を電圧値-時刻対データの形で記録し、後述する各受信波形ｘ～ｙにおけるピーク電圧を検出することにより、超音波信号の信号振幅を算出する。ここで、振幅算出部２３１による算出対象について、図２を参照して説明する。図２は、本実施の形態に係る圧力計測装置１で検出される超音波受信波形の一例を示す図である。なお、図２においては、横軸に時間を示し、縦軸に受信信号の振幅を示している。

図２に示す受信波形ｘは、配管１００の内壁１０３で反射することなく超音波プローブ１０ｂに伝播するＺ法による受信波形である（ワンパス）。受信波形ｙは、配管１００の内壁１０３で２回反射して超音波プローブ１０ｂに伝播するＮ法による受信波形である（１往復半）。受信波形ｚは、配管１００の内壁１０３で４回反射して超音波プローブ１０ｂに伝播するＮＮ法による受信波形である（２往復半）。説明の便宜上、これらの受信波形ｘ～ｚのパスを図１に示している。

例えば、振幅算出部２３１は、配管１００の内壁１０３を１回以上反射して超音波プローブ１０ｂで受信するまでの信号振幅（以下、「第１信号振幅」という）として、受信波形ｙの振幅Ｉ_１を算出する。また、振幅算出部２３１は、配管１００の内壁１０３を第１信号振幅の反射回数よりも多い回数反射して超音波プローブ１０ｂに受信するまでの信号振幅（以下、「第２信号振幅」という）として、受信波形ｚの振幅Ｉ_２を算出する。

吸収係数算出部２３２は、振幅算出部２３１で計測された第１信号振幅（振幅Ｉ_１）と、第２信号振幅（振幅Ｉ_２）とから媒体１０２の吸収係数αを算出する。ここで、配管１００の内径をｄとすると、吸収係数算出部２３２は、吸収係数αを（式１）により算出することができる。

（式１）に示すように、配管１００内部で反射する超音波信号の振幅の比を取ることで、同一条件下で配管１００外部の影響を受けずに吸収係数αが計算することができる。ここで、配管１００内部の媒体１０２が気体の場合には、配管１００と媒体１０２との音響インピーダンスの差が大きいため、反射率はほぼ１と考えることができる。このため、反射率を考慮しない式（１）を使用することができる。

ここで、配管１００内の媒体１０２の吸収係数αと、媒体１０２の圧力変化との関係について説明する。ここでは、説明の便宜上、配管１００内の媒体１０２が乾燥空気である場合を例に説明するものとする。

一般に、超音波の吸収には、大きく分けて古典吸収と分子緩和現象による吸収（以下、適宜「緩和吸収」という）の２つが存在する。古典吸収とは、粘性と熱伝導が原因となる吸収である。この場合、超音波の吸収は、周波数の２乗に比例し、圧力の２乗に反比例する。緩和吸収とは、分子の振動緩和又は回転緩和による吸収である。この場合、超音波の波長当たりの吸収は、特定の周波数で最大となる。

乾燥空気における超音波の周波数と波長当たりの吸収との関係について、図３を参照して説明する。図３では、窒素の振動緩和による緩和吸収を破線Ａで示し、酸素の振動緩和による緩和吸収を破線Ｂで示している。図３に示すように、窒素は、周波数ａで波長当たりの吸収が最大化し、酸素は、周波数ｂで波長当たりの吸収が最大化する。

また、図３では、古典吸収及び回転緩和による緩和吸収の和を破線Ｃで示している。図３に示すように、古典吸収及び回転緩和による緩和吸収の和は、周波数が大きくなると、これに伴い単調増加する。さらに、図３では、これらの窒素及び酸素の振動緩和による緩和吸収と、古典吸収及び回転緩和による緩和吸収の和とを合算した全損失を実線Ｄで示している。すなわち、乾燥空気における吸収は、周波数ａ、ｂ付近にピークを有し、周波数の増加に伴って大きくなることが分かる。

乾燥空気における超音波の周波数と波長当たりの吸収とがこのような関係を有する場合において、湿度が０％の時、空気の圧力Ｐは、超音波の吸収係数αを用いて（式２）により表される。

ここで、「ｆ」は周波数を示し、「Ｔ」は空気の温度を示す。また、「Ｆ_ｒｏ」、「Ｆ_ｒＮ」及び「Ｔ_ｏ」は、それぞれ「酸素の振動緩和のピーク周波数」、「窒素の振動緩和のピーク周波数」及び「基準空気温度」を示し、（式３）に示す値となる。

この場合、（式３）から分かるように、吸収係数αが大きくなると、空気の圧力Ｐが下がる。言い換えると、空気の圧力Ｐが上がると、吸収係数αが小さくなる。図４は、空気の圧力Ｐと超音波の吸収係数αとの関係を周波数毎に示す図である。図４においては、超音波の周波数が「２ＭＨｚ」、「１ＭＨｚ」、「５００ｋＨｚ」、「１００ｋＨｚ」、「４０ｋＨｚ」、「２０ｋＨｚ」及び「１０ｋＨｚ」の場合における空気の圧力Ｐと超音波の吸収係数（全吸収係数）αとの関係を示している。

図４に示すように、それぞれの周波数にて、吸収係数αは、空気の圧力Ｐが上がると小さくなることが分かる。特に、吸収係数αは、超音波の周波数の２乗に比例して大きくなる。このような関係性を利用することにより、吸収係数αを計測できれば、空気（媒体１０２）の圧力Ｐを求めることができる。

圧力算出部２３３は、吸収係数算出部２３２で算出された媒体１０２の吸収係数αに応じて媒体１０２の圧力Ｐを算出する。具体的には、吸収係数算出部２３２で算出された媒体１０２の吸収係数αを使用し、（式２）の演算を行うことで媒体１０２の圧力Ｐを算出する。

上記構成を有する圧力計測装置１において、送信部２１が電気信号を入力すると、超音波プローブ１０ａが超音波を発生する。発生した超音波は、配管１００を透過し、配管１００内の媒体１０２に入射する。媒体１０２に入射した超音波は、超音波プローブ１０ｂに直接的に、或いは、配管１００の内壁１０３を反射して超音波プローブ１０ｂに伝播する。超音波プローブ１０ｂに伝播した超音波は、受信部２２で電気信号に変換される。

電気信号に変換された超音波は、演算部２３の振幅算出部２３１で信号振幅（第１信号振幅、第２信号振幅）が算出される。算出された信号振幅は、吸収係数算出部２３２に出力される。吸収係数算出部２３２でこれらの信号振幅から上述した（式１）に従って媒体１０２の吸収係数αが算出された後、圧力算出部２３３で上述した（式２）に従って媒体１０２の吸収係数αから媒体１０２の圧力Ｐが演算される。

このように本実施の形態に係る圧力計測装置１によれば、配管１００の内壁１０３に対する異なる回数反射する超音波の信号振幅の比に基づいて媒体１０２の吸収係数αを算出し、この吸収係数αに応じて媒体１０２の圧力Ｐを算出する。これにより、同一条件下で配管１００内部の媒体１０２のみを伝搬する超音波の信号に基づいて媒体１０２の圧力Ｐを算出できるので、配管１００の状態や外気温の変化等の影響を受けることなく、配管１００内部の媒体１０２の圧力Ｐを精度良く計測することができる。

なお、媒体１０２の圧力Ｐの算出に利用する吸収係数αは、媒体１０２の圧力Ｐの上昇に伴って小さくなる（図４参照）。このため、媒体１０２の特性に依存するものではあるが、媒体１０２の圧力Ｐが一定値よりも高い場合、媒体１０２の吸収係数αを正確に捕捉することが困難になる事態が発生し得る。

特に、上述した（式２）による圧力Ｐの算出においては、超音波が平面波であることを想定している。本実施の形態に係る圧力計測装置１の構成は、円管形状を有する配管１００の外壁１０１ａ、１０１ｂに超音波プローブ１０ａ、１０ｂが設置される。したがって、実際の装置においては、超音波の拡散減衰の発生を考慮する必要がある。図５は、超音波の拡散減衰を考慮した圧力Ｐと超音波の吸収減衰との関係の説明図である。なお、図５においては、超音波の周波数が７００ｋＨｚである場合について示している。

図５に示すように、超音波の吸収減衰は、媒体１０２の圧力Ｐが２ＭＰａより低い範囲において、圧力Ｐの上昇に伴って小さくなる。一方、超音波の吸収減衰は、媒体１０２の圧力Ｐが２ＭＰａ付近で飽和している。媒体１０２の圧力Ｐが２ＭＰａより高い範囲において、超音波の吸収減衰は、圧力Ｐの値に関わらず略一定の値を示している。このことは、２ＭＰａより高い範囲において、吸収係数αに基づく正確な圧力Ｐの算出が困難であることを示している。したがって、媒体１０２の圧力Ｐが一定値（図５に示す例では、２ＭＰａ）より高い場合、吸収係数αを利用した圧力算出方法と異なる手法により媒体１０２の圧力Ｐを算出することが好ましい。

このような観点から、変形例に係る圧力計測装置１では、媒体１０２の圧力Ｐに連動する吸収係数αの値に応じて、上述した媒体１０２の吸収係数αを利用した圧力算出方法と、媒体１０２の超音波受信感度に基づく圧力算出方法とを切り替えて実行する。より具体的にいうと、変形例に係る圧力計測装置１では、吸収係数αが一定値以上である場合には、吸収係数αに応じて媒体１０２の圧力を算出する一方、吸収係数αが一定値より小さい場合には、振幅算出部２３１で算出される第１信号振幅又は第２信号振幅の大きさに基づいて媒体１０２の圧力を算出する。

ここで、図５と同一の条件下で算出した媒体１０２の圧力Ｐと超音波の信号強度との関係について、図６及び図７を参照して説明する。図６及び図７は、超音波の信号強度と媒体１０２の圧力Ｐとの関係の説明図である。図７においては、図６に示す１．１ＭＰａ以下の範囲における超音波の信号強度を拡大して示している。なお、図６及び図７においては、上述したＺ法、Ｎ法及びＮＮ法による超音波信号の受信波形の振幅の大きさに基づく信号強度を示している。

図６に示すように、全ての超音波信号の信号強度は、媒体１０２の圧力Ｐの上昇に伴って増加している。また、全ての超音波信号の信号強度は、媒体１０２の圧力Ｐの上昇に対応して概ね線形に変化している。一方、図７に示すように、圧力Ｐが１．１ＭＰａ以下の範囲においては、いずれの超音波信号の信号強度も、媒体１０２の圧力Ｐの上昇に伴って増加するものの、その線形性が、圧力Ｐが１．１ＭＰａより高い場合と比べて低下（悪化）している。特に、Ｎ法及びＮＮ法による超音波信号の信号強度の線形性の低下が顕著である。言い換えると、圧力Ｐが１．１ＭＰａより高い場合には、全ての超音波信号の信号強度は、媒体１０２の圧力Ｐと比例関係を有している。

これらのことから、図５に示す条件下で媒体１０２の圧力Ｐを計測する場合には、１．１ＭＰａの圧力Ｐを境界とし、圧力Ｐが１．１ＭＰａ以下の場合には吸収係数αによる圧力算出を行い、圧力Ｐが１．１ＭＰａより高い場合には媒体１０２の超音波受信感度（信号強度）に基づく圧力算出を行うことが好ましいことが分かる。なお、ここでは、圧力算出方法を切り替える圧力Ｐの一例として、１．１ＭＰａを利用して説明しているが、これに限定されるものではない。圧力算出方法を切り替える圧力Ｐについては、配管１００内の媒体１０２の種類や性質によって適宜変更される。

このため、変形例に係る圧力計測装置１においては、１．１ＭＰａの圧力Ｐに対応する吸収係数αを一定値とし、吸収係数算出部２３２により算出される吸収係数αが一定値より小さい場合、圧力算出部２３３にて、振幅算出部２３１で算出される第１信号振幅又は第２信号振幅の大きさに基づいて媒体１０２の圧力Ｐを算出する。より具体的にいうと、圧力算出部２３３は、振幅算出部２３１で算出される第１信号振幅又は第２信号振幅の大きさから、予め求めておいた比例計算により媒体１０２の圧力Ｐを算出する。

吸収係数αが一定値より小さい場合には、第１信号振幅の大きさと第２信号振幅の大きさとの差異が小さくなり、正確な吸収係数αの算出が困難となることが想定される。一方で、吸収係数αが一定値より小さい場合においては、信号振幅の大きさ（信号強度）と媒体１０２の圧力Ｐとの間に比例関係が成り立っている。変形例に係る圧力計測装置１においては、吸収係数αが一定値より小さい場合には、第１信号振幅又は第２信号振幅の大きさに基づく媒体１０２の圧力算出方法に切り換えることにより、吸収係数αの算出精度が低下する状況下でも精度良く媒体１０２の圧力Ｐを計測することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、さまざまに変更して実施可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている部材や孔などの大きさや形状などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更が可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施可能である。

以上説明したように、本発明は、配管状態や外気温の変化等の影響を受けることなく、配管内部の媒体の圧力を精度良く計測することができるという効果を有し、特に、工場等に設置される配管内の媒体の圧力を計測する圧力計測装置に有用である。

１：圧力計測装置
１０、１０ａ、１０ｂ：超音波プローブ
２１：送信部
２２：受信部
２３：演算部
１００：配管
１０１、１０１ａ、１０１ｂ：外壁
１０２：媒体
１０３：内壁
２３１：振幅算出部
２３２：吸収係数算出部
２３３：圧力算出部

Claims

配管外壁に設置され、配管内の媒体に超音波を発信する超音波発信器と、
前記超音波発信器に対向する配管外壁に設置され、前記媒体内を伝搬した超音波を受信する超音波受信器と、
前記超音波受信器で受信される超音波の信号振幅に基づいて前記媒体の圧力を演算する演算手段と、を備え、
前記演算手段は、配管内壁で異なる回数反射した超音波の第１、第２の信号振幅を算出する振幅算出部と、
前記第１の信号振幅と、前記第２の信号振幅との比に基づいて前記媒体の吸収係数を算出する吸収係数算出部と、
前記吸収係数に応じて前記媒体の圧力を算出する圧力算出部と、を有し、
前記圧力算出部は、前記吸収係数が一定値以上である場合には、前記吸収係数に応じて前記媒体の圧力を算出し、前記吸収係数が前記一定値より小さい場合には、前記第１の信号振幅又は前記第２の信号振幅の大きさに基づいて前記媒体の圧力を算出することを特徴とする圧力計測装置。