JP2005351771A - 超音波キャビテーション発生装置およびドップラー式超音波流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】 液体の温度に関わらず、確実にキャビテーションを発生させて流れ計測を可能としたドップラー式超音波流量計を提供する。
【解決手段】 配管１に流体２の温度を検出するための温度センサ７を設置する。コントローラ９は、温度センサ７により得られた流体２の温度に基づいて、超音波振動子４が流体２に超音波振動を与えたときにキャビテーション１５が発生する周波数を算出し、正弦波発信器６を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、配管内を流れる流体にキャビテーションを発生させる超音波キャビテーション発生装置および該キャビテーション発生装置を用いたドップラー式超音波流量計に関する。

超音波を利用して配管内の流体の流量を測定する方法としては、例えば、超音波技術便覧（746ページ）に示してあるような伝搬時間差を利用する方法が一般的である。しかし、この方法は、流体が流れる配管内面の表面粗さが粗い場合や配管内面に錆等のクラッドが付着した場合には、当該粗面部分またはクラッドの断面積に依存して測定精度が低下する。この問題を解決するために、測定した流速値にプロファイルファクターを乗じて、精度向上を図った装置が実用化されている。そのような装置は、例えば米国のCaldon, Inc のウエブサイトに掲載されている文献Calibration for Beaver Valley Unit 2・LEFM CheckPlus（商標）System（２０００年刊行）に記載されている。

しかし、プロファイルファクターを利用する方法でも、長期間の使用によりクラッドの厚さが変化した場合には、プロファイルファクター自体が変化するため、測定精度は低下する。

上記問題を解決するために、超音波のドップラーシフトを利用した流量計が提案されており、このような流量計は特開平６−２９４６７０や、大司他「超音波流速分布計測法を用いた流量計測手法の開発（11）」日本原子力学会「2002春の年会（2002年3月27〜29日）」予稿集、H13（以下、「文献１」という）等により知られている、

超音波ドップラーシフトを利用する方法は、流体中の微小超音波反射体からの反射エコーの周波数（f）が、流体の速度（v）によって、良く知られた（１）式によって変化することを利用する。

ここで、cは液体中の音速度（m/sec）、f_０は発振超音波の周波数（Hz）である。

ドップラー式超音波流量計は流体の速度分布が測定できるため、伝搬時間差法による超音波流量計のようにプロファイルファクターを使用しないので、配管内面の表面粗さや配管内面のクラッド等の影響を受けずに、精度の良い流量計測が可能となる。

特開平６−２９４６７０に示されたドップラー式超音波流量計では、超音波放射器によって配管内に超音波を発生し、キャビテーションを発生させる。さらに配管に斜めに取り付けられた超音波振動子によって配管内に超音波パルスを発生させるが、この超音波パルスは、キャビテーションによって発生した空胴によって反射される。反射して戻ってきた超音波パルスの周波数と発振超音波パルスの周波数を比較することにより、前記（１）式に従い、流体の流速ｖを測定することができる。
特開平６−２９４６７０ 大司他「超音波流速分布計測法を用いた流量計測手法の開発（11）」日本原子力学会「2002春の年会（2002年3月27〜29日）」予稿集、H13

液体中での音速度は、液体の温度に依存して変化する。このため、キャビテーション発生の条件は温度によって変化する。特開平６−２９４６７０に示されたドップラー式超音波流量計では、温度変化に対して、超音波の周波数等のパラメータを調整する機能がないので、ある温度でキャビテーションが発生しても、温度が変化するとキャビテーションを停止してしまうという問題がある。

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、液体温度に関わらず常に最適な条件でキャビテーションを発生させることができる超音波キャビテーション発生装置、並びに該超音波キャビテーション発生装置を用いたドップラー式超音波流量計を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、配管内を流れる流体にキャビテーションを発生させるべく超音波振動を付与するキャビテーション発生用超音波振動子と、発振周波数が可変であり、前記キャビテーション発生用超音波振動子に駆動電力を付与する超音波発振器と、前記配管内を流れる流体の温度を測定する温度センサと、前記温度センサにより測定された温度に基づいて、前記配管内を流れる流体にキャビテーションを発生させる周波数を求めるとともに、前記キャビテーション発生用超音波振動子を駆動する前記超音波発振器を該周波数の超音波振動を発生させるように制御するコントローラと、を備えたことを特徴とする超音波キャビテーション発生装置を提供する。
また、本発明は、上述の超音波キャビテーション発生装置を用いて超音波の反射体となる気泡を発生し、配管内を流れる流体の速度分布を計測することを特徴とするドップラー式超音波流量計を提供する。

本発明によれば、コントローラが、温度センサにより測定された温度に基づいて、配管内を流れる流体にキャビテーションを発生させる周波数を求めるとともに、キャビテーション発生用超音波振動子を駆動する超音波発振器を該周波数の超音波振動を発生させるように制御するため、流体の温度変化が生じた場合でも確実にキャビテーションを発生させることができる。
また、本発明の超音波キャビテーション発生装置を用いて超音波の反射体となる気泡を発生させることにより、流体の温度変化が生じた場合でも、確実にドップラー式の流れ計測を行うことができる。

［第1の実施形態］
図１は本発明による超音波流量計の第１の実施形態を示す概略断面図である。図１において、配管１の中には高温流体２が流れている。配管１は、その外周面を覆う保温材３によって断熱されている。配管１には、キャビテーションを発生させるための超音波振動子４が設置されている。超音波振動子４は電力増幅器５に接続されている。さらに電力増幅器５は周波数の制御可能な正弦波発振器６に接続されている。配管１には、高温流体２の温度を計測するための温度センサ７が取り付けられている。温度センサ７は温度計測装置８に接続されている。温度計測装置８はコントローラ９に接続されている。さらに、コントローラ９は正弦波発振器６にも接続されている。

配管１には、流量計測用の超音波振動子１０が取り付けられている。通常、超音波振動子１０は、圧電素子等の電気−振動変換素子がケース内に格納されたユニットとして構成されており、該変換素子は、電気信号から振動への変換およびその逆方向の変換を行うことができる。超音波振動子１０は、超音波パルサーレシーバ１１に接続されている。超音波パルサーレシーバ１１は、ドップラー測定装置１２に接続され、ドップラー測定装置１２は流量表示装置１３に接続されている。

ここで測定対象の高温流体２が水であるとする。水中の音速度は図２（日本機械学会1999蒸気表より引用）に示したように温度によって変化する。

水の温度がT（℃）の場合の水中の音速度をv_Ｔ（m/sec）とする。超音波の周波数をf（Hz）とすれば、水の中を伝搬する超音波の波長λ（m）は、次のようになる。

配管１の中では、ある周波数のときに定在波が発生する。定在波が発生する条件は、配管１の内径をa（m）とすれば、次のように記述される。

（２）式および（３）式から、定在波が発生する周波数は、次のように計算される。

（４）式から分るように、音速度が変化すると定在波が発生する周波数も変化する。コントローラ９は、温度センサ７および温度計測装置８を介して、配管１内の高温流体２の温度をリアルタイムでモニタする。コントローラ９には、図２相当の温度−音速度の関係を示す関数が格納されており、コントローラ９はこの関数を用いて測定された温度における高温流体２中の音速度を算出し、それに基づいて、定在波が発生するように正弦波発振器６の発振周波数を（４）式で計算される値に設定する。これにより、配管１内に定在波１４を発生させることができる。図示された定在波１４において、線の間隔が密のところは音圧が高く、疎のところは音圧が低くなっている。音圧が高いところでは、負圧と時間が発生するので、キャビテーション１５が発生する（川端昭他「拡がる新応用の開拓 やさしい超音波工学（増補版）」工業調査会（以下「文献２」という）を参照）。

キャビテーションを発生させるための条件としては、上記文献２にもあるように、次の式で評価可能である。超音波の音圧をp（Pa）、水の音響インピーダンスをz_０（kg/m²・sec）とすれば、超音波のパワー密度をI（W/m²）は次のようになる。

また、超音波振動子の面積をS（m²）とすれば、必要な電力P（W）は次のように計算される。

超音波振動子の直径を50mmとすれば、必要な電力Pは、P＝10kWとなる。従って、超音波振動子には大きな電力を投入する必要がある。

図１において、発生したキャビテーション１５は、配管１内を流体２と同じ速度v（m/sec）で移動する。超音波パルサーレシーバ１１から流量計測用の超音波振動子１０にパルス電流を印加すると、超音波振動子１０からは超音波１６が出射され配管１内を伝搬する。超音波１６が流体内のキャビテーション１５に照射されると、キャビテーション１５内は真空またはガスなので、超音波１６は完全反射する。反射した超音波は、超音波センサとしても機能する超音波振動子１０に入射し、超音波パルサーレシーバ１１により受信処理され、ドップラー測定装置１２に入力される。

反射してきた超音波は、キャビテーション１５の移動速度によって、ドップラシフト（周波数が変化）しているおり、反射してきた超音波の周波数ｆ（Hz）は前述した（１）式により求めることができる。 そして、キャビテーション１５の移動速度ｖ（m/sec）は、（１）式を変形した次式により求めることができる。

従って、送信超音波の周波数と受信超音波の周波数の比を計測すれば、キャビテーション１５の移動速度、すなわち、流体の流速が測定できることとなる。ただし、（７）式においては、v／ｖ_T＜＜１の近似を用いた。

以上の処理をドップラー測定装置１２内で行い、測定結果を流量表示装置１３に表示する。ドップラーシフトの測定は、特に限定する必要はなく、例えば、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）等によっても実行が可能である。

超音波の反射は、キャビテーション１５が存在する領域から発生するので、キャビテーション１５が配管１内面に分布しているときには、受信した反射超音波パルスは比較的長いパルス列となる。このパルス列を時間分割して、各分割区間毎に周波数の変化量を測定すれば、その区間毎の流速が測定でき、高温流体の流速分布を測定できることとなる。流体２の温度が揺らいだ場合には、温度の測定値から、音速度を算出し、定在波が発生する周波数に変更して、流量測定を行うことができる。このようにして、流体の温度が変化しても、精度良く流体の流速分布を測定できる。

正弦波発振器６の周波数を変化させ、定在波の山の間隔を狭くすることも好ましい。前述した（３）式は基本の（一次の）定在波を発生させる条件であり、高次の定在波を発生させる条件は、配管１の内径a（ｍ）が半波長のn倍（nは自然数）となればよいので、この場合（３）式は次のように書き改められる。

超音波技術便覧 日刊工業新聞社刊 pp.20によれば、配管１内の定在波の音圧（p）は、次の式によって計算される。

ここで、Ａは定数であり、ｘは配管の直径方向の位置である（0≦x≦a）。

図３および図４は、n=2およびn=4の場合について、（７）式のp／Aを計算した結果である。nが大きい、すなわち周波数を高くすると、音圧が極値をとるxの位置が増えることになり、広い範囲でキャビテーションを起こすことが可能である。図３の場合、キャビテーションの発生する箇所は３箇所であったが、周波数を倍にした図４の場合には、５箇所に増えている。

［第２の実施形態］
図５は、本発明の第２の実施の形態を示す図である。図５に示す実施形態は、図１に示す実施形態に対して、キャビテーション発生用超音波振動子の数を増した点が異なる。

図５に示すように、超音波振動子４と配管１の径方向に対向するようにもう一つの超音波振動子４’を配管１に設置する。超音波振動子４’は、電力増幅器５’に接続され、電力増幅器５’は正弦波発振器６’に接続されている。正弦波発振器６’も、コントローラ９に接続されている。本実施形態においては、コントローラ９は、温度センサ７及び温度計測装置８の測定結果に基づいて配管１の流体２中に定在波が発生するような周波数の信号を正弦波発振器６，６’に発生させる際に、正弦波発振器６，６’が異なる周波数の信号を発信するように制御する。

超音波振動子４’に超音波振動子４に加える奇数倍の周波数を印加すると、配管内の音圧分布は、次のように記述される。

（１０）式から分るように、配管内の音圧は、２つの超音波振動子４，４’からの音圧の和となる。ｎ＝２、ｍ＝６の場合に、（１０）式を計算したものが図６である。音圧の最大値は、配管１の壁近傍と配管中央部に発生し、さらに音圧レベルも２倍となっているのが分る。これにより、流れの中央部の流速分布を精度良く測定できることとなる。また、１つの超音波振動子では発生するキャビテーションが不足した場合には、このような構成にすると、さらに多くのキャビテーションを発生させることができる。

［第３の実施形態］
図７は、本発明の第３の実施形態を示す図である。図７に示す実施形態は、図１に示す実施形態に対して、キャビテーション発生用超音波振動子４の先端と配管外周面の間に、配管１と同じ材質からなる超音波遅延材２０を介設している点のみが異なる。このようにすれば、配管１の板厚と複合共振を発生させ、超音波のエネルギーを流体に効率よく入射させることができる。超音波技術便覧（日刊工業新聞社刊）によれば、遅延材２０の板厚を超音波の半波長の奇数倍にすれば、透過率が向上する。なお、図５に示す第２の実施形態において、２つ設けられた超音波振動子４、４’の両方に超音波遅延材２０を配設してもよい。このような構成にすれば、流体中の超音波の音圧は向上し、キャビテーションを起こしやすくなる。

［第４の実施形態］
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。ユニット化された超音波振動子１０は、通常はその先端部に例えば圧電素子等の電気−振動変換素子１０ａを有しているが、本実施形態は該変換素子部分の温度上昇を防止するための断熱または放熱手段に関するものである。

図８に示すように、流量計測用超音波振動子１０は配管１の保温材３を取り除いた部分に取り付けられている。超音波振動子１０の先端と配管１表面との間に、耐熱樹脂シュー３０が設けられている。耐熱樹脂シュー３０は、金属に比べ熱伝導率が大幅に低く、かつ超音波の伝播特性に優れたポリイミド樹脂またはポリカーボネイトにより形成されており、これにより配管１表面からの熱伝導を低減し、超音波振動子１０の変換素子１０ａの温度上昇を防止している。超音波振動子１０は、熱伝導率の高い金属棒３１に形成された孔３１ａの中に挿入されている。金属棒３１は、好ましくはアルミニウムまたは銅からなる。金属棒３１の保温材３から露出している部分には、放熱フィン３２が取り付けられている。

更なる放熱効率の向上のため、好ましくは、金属棒３１内にヒートパイプ３３が設けられる。ヒートパイプ３３の作動媒体としては、フロンまたは水が好適である。これにより、沸点が１００℃以下に設定可能であるため、効率的な冷却が可能となる。

なお、超音波振動子１０の外周面と金属棒３１との間を断熱した方が好ましいのであれば、流量計測用超音波振動子１０のケース１０ｂの材質としてポリイミド樹脂またはポリカーボネイト等の断熱樹脂材料が用いられる。超音波振動子１０の外周面と金属棒３１との間の伝熱を向上させた方が好ましいのであれば、超音波振動子１０の外周面と金属棒３１の孔３１ａの内周面との間にシリコングリス等の伝熱性グリスを充填することができる。

図９に、配管１内面の温度２３０℃（原子炉の給水温度と等しい）とした場合において、図８に示すように配置された超音波振動子１０の先端部の温度を有限要素法（ＦＥＭ）熱伝導解析により求めた結果を示すが、これによれば、超音波振動子１０の先端部の温度は１０６℃であった。すなわち、図８に示す実施形態によれば、原子炉の給水系のような高温水が流れる配管の流量を測定する場合にも、振動子１０の素子部分の温度を市販の流量計測用超音波センサの作動限界温度以下にすることができる。このことは高感度な流量計測用超音波センサの使用が可能となることを意味し、高温用の流量計測用超音波センサの課題であった感度が低い問題点を解決し、原子炉への給水流量計測を効果的に実施できることになる。定格出力一定運転の元で、給水流量を高精度で測定できることは、原子炉の電気出力を最大で約２％上昇させることが可能となり、その経済的効果は非常に大きい。

本発明による超音波流量計の第１の実施形態を示すシステム機能図。 温度と音速の関係を示すグラフ図。 基本定在波が発生したときの流体中の音圧分布の概要を示すグラフ図。 基本定在波の３倍の周波数の定在波の流体中の音圧分布の概要を示すグラフ図。 本発明による超音波流量計の第２の実施形態を示すシステム機能図。 基本定在波とその３倍の周波数の定在波が同時に発生した場合の液体中の音圧分布の概要を示すグラフ図。 本発明による超音波流量計の第３の実施形態を示す図であって、遅延材を使用して配管内に超音波を送信することを説明する図。 本発明による超音波流量計の第４の実施形態を示す図であって、計測用超音波振動子の断熱および放熱構造を示す断面図。 キャビテーションを検出する流量計測用超音波センサの冷却構造の作用効果を示す３次元有限要素法による解析結果の詳細部分拡大温度コンター図。

符号の説明

１ 配管
２ 流体
３ 保温材
４、４’ （キャビテーション発生用）超音波振動子
５、５’ 電力増幅器
６、６’ 正弦波発振器
７ 温度センサ
８ 温度計測装置
９ コントローラ
１０ 流量計測用（測定用）超音波振動子
１０ａ 超音波振動子の変換素子
１０ｂ 超音波振動子のケース
１１ 超音波パルサーレシーバ
１２ ドップラー測定装置（演算装置）
１３ 流量表示装置
１４ 超音波定在波
１５ キャビテーション
１６ 超音波パルス
２０ 遅延材
３０ 耐熱樹脂シュー
３１ 金属棒
３２ 空冷フィン
３３ ヒートパイプ
３４ 流量計測用超音波センサの変換素子

Claims (13)

1. 配管内を流れる流体にキャビテーションを発生させるべく超音波振動を付与するキャビテーション発生用超音波振動子と、発振周波数が可変であり、前記キャビテーション発生用超音波振動子に駆動電力を付与する超音波発振器と、前記配管内を流れる流体の温度を測定する温度センサと、前記温度センサにより測定された温度に基づいて、前記配管内を流れる流体にキャビテーションを発生させる周波数を求めるとともに、前記キャビテーション発生用超音波振動子を駆動する前記超音波発振器を該周波数の超音波振動を発生させるように制御するコントローラと、を備えたことを特徴とする超音波キャビテーション発生装置。
2. 前記キャビテーション発生用超音波振動子は、前記配管の径方向に対向する位置に一対設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の超音波キャビテーション発生装置。
3. 前記一対のキャビテーション発生用超音波振動子のそれぞれに別々の超音波発信器が接続されており、各キャビテーション発生用超音波振動子に供給される駆動電力の周波数を独立して変更することができるように構成されていることを特徴とする、請求項２に記載の超音波キャビテーション発生装置。
4. 前記キャビテーション発生用超音波振動子は、超音波遅延材を介して前記配管の外周面に取り付けられていることを特徴とする、請求項１に記載の超音波キャビテーション発生装置。
5. 前記キャビテーション発生用超音波振動子は、前記配管の径方向に対向する位置に一対設けられ、これら一対のキャビテーション発生用超音波振動子は超音波遅延材を介して前記配管の外周面に取り付けられていることを特徴とする、請求項１に記載の超音波キャビテーション発生装置。
6. 請求項１〜５いずれかに記載の超音波キャビテーション発生装置を用いて超音波の反射体となる気泡を発生し、配管内を流れる流体の速度分布を計測することを特徴とするドップラー式超音波流量計。
7. 測定用超音波振動子を更に備え、前記測定用超音波振動子の前記配管側の先端と前記配管の外周面との間に断熱材が設けられており、前記測定用超音波振動子は金属棒に形成された孔の中に収容され、前記金属棒に放熱フィンが設けられていることを特徴とする、請求項６に記載のドップラー式超音波流量計。
8. 前記金属棒内にヒートパイプが通されていることを特徴とする、請求項７に記載のドップラー式超音波流量計。
9. 前記ヒートパイプの作動媒体としてフロンまたは水を用いることを特徴とする、請求項８に記載のドップラー式超音波流量計。
10. 前記断熱材がポリイミド樹脂からなることを特徴とする、請求項７に記載のドップラー式超音波流量計。
11. 前記金属棒の材質としてアルミまたは銅を用いたことを特徴とする、請求項７に記載のドップラー式超音波流量計。
12. 前記測定用超音波振動子のケースの材料としてポリイミド樹脂を用いたことを特徴とする、請求項７に記載の超音波流量計。
13. 前記測定用超音波振動子のケースの表面と前記金属棒の前記孔の表面との間にシリコングリスが充填されていることを特徴とする、請求項７に記載の超音波流量計。

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