CN104880228B - 多相流量计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多相流量计，其包括：第一流量测量器，被配置成传送和接收第一测量信号，所述第一流量测量器布置在垂直管道的外壁上；第二流量测量器，被配置成传送和接收第二测量信号，所述第二流量测量器布置在连接至所述垂直管道的水平管道的外壁上；以及流量参数计算器，被配置成接收来自所述第一流量测量器的所述第一测量信号和来自第二流量测量器的所述第二测量信号，所述流量参数计算器根据所述第一测量信号和所述第二测量信号来计算流量参数。

Description

多相流量计

技术领域

本公开涉及可以测量多相流体的流量的多相流量计。

要求于2014年2月28日提交的第2014-038733号日本专利申请和2014年8月13日提交的第2014-164930号日本专利申请的优先权，上述申请的内容通过引用合并于此。

背景技术

在混合了水、油和气体的多相流体在管道中流动的情况下，多相流量计可以测量多相流体中混合的各流体的流量。近年来，开发了各种类型的多相流量计。

在第H08-271309号日本未审查专利申请公布中，描述了两个多相密度计。具体地，两个多相密度计沿着多相流体的流动方向布置在水平管道上，并且基于多相流体的相对电容率来计算各流体的比率。流体在两个多相密度计之间流动所需的时间被计算，并且基于关联法来测量多相流体的流量。

在第H10-281843号日本未审查专利申请中，描述了多相流量计。具体地，多相流量计配备有电磁流量计、成分比率传感器和计算电路。电磁流量计和成分比率传感器沿着多相流体的流动方向布置在管道上。计算电路基于从电磁流量计和成分比率传感器传送的测量信号来计算在多相流体中混合的各流体的流量。

然而，由于在多相流量计中组合了检测装置，因此整个多相流量计的配置是复杂的，并且装置的成本增加。

发明内容

一种多相流量计可以包括：第一流量测量器，被配置成传送和接收第一测量信号，所述第一流量测量器布置在垂直管道的外壁上；第二流量测量器，被配置成传送和接收第二测量信号，所述第二流量测量器布置在连接至所述垂直管道的水平管道的外壁上；以及流量参数计算器，被配置成接收来自所述第一流量测量器的所述第一测量信号和来自第二流量测量器的所述第二测量信号，所述流量参数计算器根据所述第一测量信号和所述第二测量信号来计算流量参数。

从以下参照附图对示例性实施例的详细描述中，本公开的其他特征和方面将变得显而易见。

附图说明

图1是示出第一实施例中的多相流量计的图。

图2是示出气泡在管道中流动的状态的图。

图3是示出气泡的直径与气泡的上升速度之间的关系的图。

图4是示出管道中的活塞流的图。

图5A是示出在检测小气泡时的活塞流的图。

图5B是示出在检测大气泡时的活塞流的图。

图6是用于描述活塞流的测量操作的图。

图7A是活塞流存在的管道的放大视图。

图7B是在图4所示的活塞流中的换能器21和22进行的信号检测的概念图。

图8A是示出在气泡的量为40[％]的情况下的数据检测频率的图。

图8B是示出在气泡的量为20[％]的情况下的数据检测频率的图。

图9是示出在测量活塞流时的算法的图。

图10是示出图1所示的操作的流程图。

图11是示出气泡流模式下的操作的流程图。

图12是用于描述从气泡获得反射信号的幅度的廓线(profi le)的方法的图。

图13是示出反射信号幅度的廓线的示例的图。

图14是示出拟合反射信号幅度的廓线的示例的图。

图15是示出在活塞流模式下的操作的流程图。

图16是示出第二实施例中的多相流量计的图。

图17是垂直管道11的放大视图，其中所附接的换能器21和22通过不同的测量方法进行驱动，诸如时差法和反射相关法。

图18是垂直管道11的放大视图，其中换能器21的驱动频率和换能器22的驱动频率彼此不同。

图19A是示出频率彼此不同的换能器的测量数据的图。

图19B是示出频率比图19C所示的另一换能器高的换能器的测量数据的图。

图19C是示出频率比图19B所示的另一换能器低的换能器的测量数据的图。

图19D是示出图19B和图19C所示的两个直方图之差的图。

图20是用于描述时差法的图。

图21A是示出当气泡的量低时的信号幅度的图。

图21B是示出当气泡的量大时的信号幅度的图。

图22是示出第三实施例中的多相流量计的图。

图23是示出用于在气泡流模式下计算气泡的量的处理的流程图。

图24A是示出上游检测器4检测的超声波幅度的分布图。

图24B是示出下游检测器5检测的超声波幅度的分布图。

图25是示出幅度r₀与幅度r₁的幅度比相对于超声波的传播距离x的图。

图26是示出将公式10拟合于图25的曲线的示例的图。

图27A是示出将公式8拟合于图24A的曲线的示例的图

图27B是示出将公式9拟合于图24B的曲线的示例的图。

图28是示出第四实施例中的多相流量计的图。

图29是示出用于确定是气泡还是固态粒子的处理的流程图。

具体实施方式

本发明的一些实施例的一方面是提供一种可以容易地以低成本测量在多相流体中混合的液体、气体和固态粒子的流量的多相流量计。

现在，本文中将参照说明性优选实施例描述本发明的实施例。本领域技术人员将认识到，可以使用本发明的教导来实现许多替选的优选实施例，并且本发明不限于本文中出于说明目的而例示的优选实施例。

(第一实施例)

图1是示出第一实施例中的多相流量计的图。在图1中，管道13配备有垂直管道11和水平管道12。流体在垂直管道11中向上流动，以及流体在水平管道12中水平流动。

第一流量测量器20配备有换能器21和22。换能器21和22布置在垂直管道11的外壁上以在水平方向上夹置垂直管道11。换能器21和22传送和接收测量信号。换能器21和22中的至少一个可以布置在垂直管道11上。可以借助于诸如反射相关法或多普勒方法的方法来基于来自流体中的气泡的反射信号来计算流体的流速。然而，传播时间差不适于测量气泡的流速。

第二流量测量器30配备有换能器31和32。换能器31和32布置在水平管道12的外壁上以在垂直方向上夹置水平管道12。与换能器21和22相同，换能器31和32中的至少一个可以布置在水平管道12上。可以借助于诸如反射相关法或多普勒方法的方法来计算流体的流速。此外，可以借助于时差法、使用换能器21和22来计算水平管道12中的流体的流速。

包括在第一流量测量器20中的换能器21和22以及包括在第二流量测量器30中的换能器31和32连接到计算控制器40。计算控制器40起到流量参数计算器的作用。

计算控制器40驱动并控制换能器21、22、31和32以计算并累积测量数据。计算控制器40显示和输出计算结果。为了从外部供给电力、将4-20[mA]的信号输出到外部以及与外部进行通信的目的，计算控制器40经由线缆50连接到外部。

图2是示出气泡在管道中流动的状态的图。在图2中，由于包括在第二流量测量器30中的换能器31和32被布置成在垂直方向上夹置水平管道12，因此，在管道中的气体量非常少的情况下，管道几乎充满流体。为此，换能器31和32可以检测反射信号。

在该状态下，管道中的气体量在几个百分点内，并且小气泡在管道中流动，这被称为“气泡流”。执行“气泡流模式”的信号处理以计算气泡的量。

在气泡的量增加的情况下，气体聚集在水平管道12中的上部周围，并且管道并未充满流体。由于管道和气体的阻抗极其不同，因此超声波无法在管道中传播，并且布置在水平管道12上面的换能器31无法检测信号。然而，由于换能器32布置在水平管道12下面，因此即使管道未充满流体，换能器32也可以检测信号。

在该状态下，管道中的气体量多于几个百分点且小于百分之百。在这种情况下，大气泡和小气泡在垂直管道11中交替地流动。大气泡的直径在尺寸上类似于管道的直径，并且大气泡的流动被称为“活塞流”。执行“活塞流模式”的信号处理以计算在该状况下气泡的量。稍后将描述“活塞流模式”的详情。

在气泡的量进一步增加并且水平管道12几乎充满气体的情况下，布置在水平管道12下面的换能器32无法检测信号。在这种情况下，由于水平管道12中的气体量几乎为百分之百，因此计算控制器40确定气体流的量是百分之百。

由于换能器31可以检测信号并且换能器32无法检测信号不可能发生，因此在该情况下，计算控制器40确定“传感器故障”发生。

借助于反射相关法，可以使用被布置成在垂直方向上夹置水平管道12的换能器31和32来识别气体与液体之间的界面的位置。所识别的位置是气体与液体的比率的大致指示。

然而，由于滑移(slip)存在于气体与液体之间，因此气体和液体未以相同的速度在管道中流动。此外，由于气体具有紧密特性并且遵循玻意耳-查尔斯定律，因此根据测量位置的管道下游的状态(例如，是否打开而与大气相通或者被加压)，仅由换能器31和32正确地计算气体的体积和气体的流量是困难的。

以下将描述气泡流模式。计算控制器40借助于反射相关法或多普勒方法、使用换能器21和22来计算流速。由于换能器21和22布置在垂直管道11上，因此计算控制器40通过计算流体的速度+气泡的浮力(或粒子的重力)来计算流速。在图2中，由于流体向上流动，因此气泡的流速由于气泡的浮力而比液体的流速快。

另一方面，由于换能器31和32布置在水平管道12上，通过使用换能器31和32测量的流速不受气泡的浮力影响，并且仅测量流体的流速。

计算控制器40根据从换能器21、22、31和32传送的信号来计算流速。此外，计算控制器40计算通过使用换能器21和22测量的流速相对于通过使用换能器31和32测量的流速的流速差。

在通过使用换能器21和22测量的流速相对于通过使用换能器31和32测量的流速具有正差并且该差大于预定阈值的情况下，计算控制器40确定“气泡存在”并且执行气泡直径测量例程。计算控制器40可以根据正差的经过时间或者正差的数据数量来确定“气泡存在”。

在气泡直径测量例程中，假设通过使用换能器21和22观察的流速相对于通过使用换能器31和32观察的流速的流速差对应于浮力，则计算控制器40基于上升速度(通过使用换能器21和22观察的流速-通过使用换能器31和32观察的流速)来计算气泡直径。

根据浮力与阻力的平衡来确定气泡的上升速度。这在以下公式1中表示。符号“wb”表示气泡的速度。符号“wl”表示液体的速度。符号“Cd”表示阻力的系数。符号“ρ”表示密度差。符号“g”表示重力加速度。符号“r”表示气泡的半径。

[公式1]

ρd·g·（4/3）·π·r³＝(Cd·ρd/2)·π·r²(wb-wl)²

(1)

此外，可以根据公式1推导以下公式2。

[公式2]

阻力系数Cd根据气泡的雷诺数Reb来区别地表示。然而，雷诺数Reb用于通过假定测量系统可以实际检测的气泡的大小和流动来确定流动状态并进行假定。雷诺数Reb可以通过以下公式3来计算。符号“rx”表示气泡的半径。符号“ub1”表示气体和液体的相对速度。符号“ν1”表示在25摄氏度下水的粘度的动态系数。

[公式3]

Reb＝2·rx·ub1/v1

(3)

例如，在rx＝1[mm]、ub1＝10[cm/s]以及ν1＝0.893×10^-6[m²/s]的情况下，根据公式3，雷诺数Reb为22.4。区域是Allen区域(过渡区域)，Allen区域中的阻力系数Cd被表示为以下公式4。

[公式4]

另外，针对气泡的半径r来对公式4进行求解，推导出以下公式5。

[公式5]

如在公式5中显而易见，计算控制器40计算水平管道12中的液体的流速wl以及垂直管道11中的气泡的流速wb，使得计算控制器40可以计算气泡的半径r。

计算控制器40可以基于表示图3所示的气泡的直径与气泡的上升速率之间的关系的斯托克斯定律来计算气泡的半径r。

在不同于气泡的固态例子的情况下，存在固态粒子的速度由于重力而低于流体的速度的情况。在这种情况下，在固态粒子直径测量例程中，计算控制器40假设粒子密度，使得计算控制器40可以计算固态粒子的直径。

具体重量大于诸如水的流体的重量的固态粒子(例如，诸如煤的矿物)具有沉积在液体中的特性。如图2所示，在具体重量大于流体的重量的固态粒子存在于其上布置有换能器21和22的垂直管道11中的情况下，通过使用换能器21和22观察的速度低于通过使用换能器31和32观察的速度。根据该特性，与气泡的情况相同，计算控制器40可以测量流体中的固态粒子量。

以下将描述活塞流模式。图4是示出管道中的活塞流的图。图5A是示出在检测小气泡时的活塞流的图。图5B是示出在检测大气泡时的活塞流的图。图6是用于描述活塞流的测量操作的图。

如在这些图中所示，活塞流是大气泡和小气泡交替地流动的流。具体地，在活塞流中，小气泡在大气泡流动之后流动，此后，大气泡再次流动。

在图5A和图5B中，超声波通过换能器21与换能器22之间的路径F。在活塞流模式中，虽然可以通过使用反射相关法来检测来自图5A所示的小气泡的信号，但是无法检测来自图5B所示的大气泡的反射信号。因此，根据通过使用反射相关法检测的来自小气泡的信号来假定气泡的量。

在反射相关法中，计算控制器40根据来自气泡的反射信号的移动速度来计算在沿着路径F的多个位置处的流速，以计算图6所示的流动廓线。图6所示的圆圈表示测量点。在图6中，横轴表示距换能器的距离，以及纵轴表示流速。

图7A是活塞流存在的管道的放大视图。图7B是换能器21和22在图4所示的活塞流中进行的信号检测的概念图。第一流量测量器20交替地检测在垂直管道11中流动的液体和气体气泡。然而，第二流量测量器30始终检测在水平管道12中持续地流动的液体。

图8A是示出在气泡的量为40[％]的情况下的数据检测频率的图。图8B是示出在气泡的量为20[％]的情况下的数据检测频率的图。在图8A和图8B中，横轴表示根据距换能器的距离而划分成任意数量的区域，以及纵轴表示采样数量。

在图8A和图8B中，可以在单一剖面采样时获得单一水平行的数据。数据存在的区域被显示为白色像元(cell)，以及数据不存在(无法测量到数据)的区域被显示为黑色像元。在上述的活塞流模式下，黑色像元区域表示大气泡存在的区域，以及白色像元区域表示小气泡存在的区域。

严格地说，虽然气泡不存在的区域被显示为黑色像元，但是由于活塞流包括很多气泡，因此基本上，不需要考虑气泡不存在的区域。如在图8A和图8B中显而易见的是，在气泡的量小的情况下，白色区域增大。另一方面，在气泡的量大的情况下，黑色区域增大。

例如，测量一个剖面内的40个测量点。在可用数据的数量小于10的情况下，计算控制器40确定这是大气泡通过的区域。在可用数据的数量等于或大于10的情况下，计算控制器40确定这是小气泡通过的区域。计算控制器40重复地执行采样，使得计算控制器40可以基于大气泡与小气泡的比率来假设同流体一样流动的气体的量。

实际上，在信号处理时，计算控制器40在信号未被检测时进行计算。为此，未测量气泡的量的信号未检测部分存在。计算控制器假设信号未检测部分中的气泡的量等于信号检测部分中的气泡的量的测量结果，使得计算控制器40可以最终计算流体的总量。

图9是示出在测量活塞流时的算法的图。如图9所示，计算控制器40计算信号未检测时间(未检测区域)与总计算时间的比率，并且计算控制器40假设未检测区域中的气泡的量等于检测区域中的气泡的量。此外，计算控制器40假设稍后将描述的图15所示的数据数量的设定值B表示一个检测周期内气泡的空间量，并且这些值的乘积是气泡的量。

图10是示出图1所示的操作的流程图。首先，计算控制器40基于从布置在水平管道12上的换能器31和32接收到的输出信号的组合来确定流动模式。

具体地，计算控制器40确定是否从换能器31接收到输出信号(步骤S21)。在从换能器31接收到输出信号的情况下(步骤S21：是)，计算控制器40确定是否从换能器32接收到输出信号(步骤S22)。在从换能器32接收到输出信号的情况下(步骤S22：是)，计算控制器40确定模式是气泡流模式。另一方面，在未从换能器32接收到输出信号的情况下(步骤S22：否)，计算控制器40确定传感器故障发生。将通过使用图11所示的流程图来描述气泡流模式下的操作。

在步骤S21中，在未从换能器31接收到输出信号的情况下(步骤S21：否)，计算控制器40确定是否从换能器32接收到输出信号(步骤S23)。在从换能器32接收到输出信号的情况下(步骤S23：是)，计算控制器40确定模式是活塞流模式。另一方面，在未从换能器32接收到输出信号的情况下(步骤S23：否)，计算控制器40确定气体量为百分之百。将通过使用图15所示的流程图来描述活塞流模式下的操作。

图11是示出气泡流模式下的操作的流程图。首先，计算控制器40计算第一流量测量器20的流速测量结果A(步骤S31)。接下来，计算控制器40计算第二流量测量器30的流速测量结果B(步骤S32)。计算控制器40将第一流量测量器20的流速测量结果A与第二流量测量器30的流速测量结果B进行比较，并且计算控制器40确定A是否等于或大于B(步骤S33)。

在A等于或大于B的情况下(步骤S33：是)，计算控制器40确定气泡存在，并且处理进行到气泡直径测量例程(步骤S34)。另一方面，在A不等于大于B的情况下(步骤S33：否)，计算控制器40确定固态粒子存在，并且处理进行到固态粒子直径测量例程(步骤S37)。

在气泡直径测量例程中，计算控制器40执行气泡数量计算例程的处理(步骤S35)。此后，计算控制器40计算气泡的量(步骤S36)。在固态粒子直径测量例程中，计算控制器40执行固态粒子数量计算例程的处理(步骤S38)。此后，计算控制器40计算固态粒子含量(步骤S39)。计算控制器40可以基于表示固态粒子的沉积速度与直径之间的关系的斯托克斯定律来计算固态粒子的直径。

作为用于计算固态粒子的直径的另一种方法，关于坚硬的固态粒子，计算控制器40可以使用表示固态粒子的反射系数与直径之间的关系的表格(斯登泽尔反射系数)以根据反射信号的幅度的绝对值来计算固态粒子的直径。

此外，通过使用第一流量测量器20和第二流量测量器30，计算控制器40执行信号强度廓线例程(步骤S40)，其中获得了来自气泡的反射信号的幅度的廓线。此后，计算控制器40将信号强度廓线例程的结果输入至气泡数量计算例程(步骤S35)和固态粒子直径测量例程(步骤S37)，并且计算控制器40反映该结果。

图12是用于描述获得来自气泡的反射信号的幅度的廓线的方法的图。图12是图1的一部分的放大视图。在图12中，换能器31布置在水平管道12的外壁上。换能器31用于检测来自气泡的反射信号。

获得反射信号的幅度的廓线的处理与测量流量的处理区分开。反射信号幅度的廓线表示在管道中的多个位置处的反射信号的幅度，并且根据超声波的传播时间来假定幅度。

图13是示出反射信号幅度的廓线的示例的图。在图13中，横轴表示超声波的传播距离，以及纵轴表示来自气泡的超声波的反射信号的幅度(相对值)。传播距离0[m]表示换能器侧的内壁。

在图11所示的气泡数量计算例程(步骤S35)中，计算控制器40根据反射信号幅度的廓线以及气泡的直径来计算气泡数量。具体地，计算控制器40通过将参数包括气泡直径和气泡数量的公式拟合于反射信号幅度的廓线来计算气泡数量。例如，以下描述的公式6被用作该公式。

[公式6]

在公式6中，符号“a”表示超声波的反射信号的幅度。符号“A”表示超声波的反射信号的强度。符号“I₀”表示超声波的入射信号的强度。符号“S”表示气泡的横截面面积。符号“r”表示气泡的半径，以及横截面面积S可以被表示为2πr²。符号“n”表示每单位体积的气泡的数量密度。符号“x”表示超声波的传播距离x。符号“d_x”表示在特定时间的提取波形的范围。公式6意味着反射信号的强度A被表示为(在特定位置处的发射波的强度)×(在特定位置处的超声波的反射比)×(其他项)。

其他项诸如在超声波传播时的流体的超声波吸收项和扩散项以及背景噪声。作为背景噪声，可以使用在超声波没有传播时观察的信号幅度的实际测量值。

在公式6中，未知值仅是气泡的数量密度n。例如，如图14所示，计算控制器40可以通过将公式6拟合于反射信号幅度的廓线来计算气泡的数量密度n。例如，计算控制器40通过使用最小二乘法来执行拟合，但不限于此。在拟合时可以使用相对值，并且不需要反射信号幅度的绝对值。因此，存在不仅不需要计算强度I₀和范围d_x而且不需要考虑管道与换能器之间的接触面积、管道的类型、管道的厚度以及附着物质是否存在的极大优点。

图14是示出对反射信号幅度的廓线进行拟合的示例的图。在图14中，横轴表示管道中的超声波的传播距离，以及纵轴表示来自气泡的超声波的反射信号的幅度(相对值)。虽然在图14中气泡的量(孔隙比)用于进行拟合，但是由于气泡的直径是已知的，因此气泡的数量可以用于进行拟合，而不是气泡的量。

由于如上所述那样计算气泡的直径和气泡的数量，因此计算控制器40可以如图11的流程图中所述的那样计算气泡的量。作为最终输出，计算控制器40可以输出气泡的流速、流量和直径、气泡的数量以及气泡的量。

图15是示出在活塞流模式下的操作的流程图。首先，计算控制器40测量流速廓线(步骤S41)。接下来，计算控制器40计算构成数据数量的流速廓线的计数值A(步骤S42)。另一方面，设定数据数量的设定值B(步骤S43)。计算控制器40将计数值A与设定值B进行比较，并且计算控制器40确定A是否等于或大于B(步骤S44)。

在A等于或大于B的情况下(步骤S44：是)，计算控制器40执行流速廓线数据的处理(步骤S45)。另一方面，在A不等于大于B的情况下(步骤S44:否)，计算控制器40执行对气泡区域的处理(步骤S46)。

在流速廓线数据的处理和气泡区域的处理之后，计算控制器40执行平均流速廓线的处理(步骤S47)。

此后，计算控制器40计算气泡区域频率(步骤S48)，并且计算控制器40计算气泡的量(步骤S49)。

这样的配置使得多相流量计可以通过类似于现有超声波流量计的低成本的简单配置来同时地不仅测量流体的流量，而且测量各种类型的流量参数，诸如气泡的直径、气泡的数量以及气泡的流量。此外，气泡和固态粒子是否存在可以通过执行流程图中所描述的例程来检测。

虽然描述了计算气泡的量和固态粒子的量的示例，但是可以在没有气泡的量的情况下仅输出气泡或固态粒子的直径，也可以仅输出气泡或固态粒子的数量。

替代通过反射相关法来测量水平管道12中的流量，计算控制器40可以通过使用时差法来测量垂直管道11和水平管道12中的液体的流速，以计算气泡的流量。

(第二实施例)

图16是示出第二实施例中的多相流量计的图。在该图中，与图1中的部分相对应的部分被赋予相同的附图标记，并且将省略对其的描述。在图16中，管道13配备有垂直管道11和水平管道12。流体在垂直管道11中向下流动，以及流体在水平管道12中水平地流动。

通过图16所示的配置，计算控制器40可以分别确定气泡和固态粒子。在布置在垂直管道11的下游的水平管道12中，密度大于液体的固态粒子因离心力而移动至水平管道12的底部，并且密度小于液体的气泡因浮力而移动至水平管道12的顶部。

布置在水平管道12的外壁上以在垂直方向上夹置水平管道12的换能器31和32可以用于根据信号的检测频率以及信号的位置信息来检测反射信号存在的位置和频率。

在许多反射信号在水平管道12的底部上的情况下，计算控制器40可以确定固态粒子存在。另一方面，在许多反射信号在水平管道12的顶部上的情况下，计算控制器40可以确定气泡存在。根据确定结果，计算控制器40可以分别计算气体的流量以及固态粒子的量。

计算控制器40可以通过仅使用布置在垂直管道11的外壁上以在水平方向上夹置垂直管道11的换能器21和22来测量气泡的直径。具体地，存在以下描述的两种方法。

a)通过使用换能器21和22来以混合方式执行时差法和反射相关法或多普勒方法的方法。以下，该方法将被称为以混合方式执行的方法。

b)分别通过使用彼此不同的频率、通过使用反射相关法或多普勒方法来测量换能器21和22的两个检测端子的方法。以下，该方法将被称为通过使用不同频率来进行测量的方法。

通过这些方法，由于不需要将换能器布置在水平管道12上，因此可以简化多相流量计并且可以降低多相流量计的成本。此外，可以在不限制水平管道12和垂直管道11这两者是必须的情况下布置管道。

a)以混合方式执行的方法：

多相流量计可以通过交替地使用反射相关法或多普勒方法以及时差法来测量流体的流速。在反射相关法或多普勒方法的情况下，计算控制器40基于来自气泡的反射信号来计算流速。另一方面，在时差法的情况下，由于计算控制器40基于上游侧的超声波与下游侧的超声波之间的传播时间差来计算流速，因此计算控制器40直接计算流体的流速。

图17是垂直管道11的放大视图，其中所附接的换能器21和22通过不同的测量方法进行驱动，诸如时差法和反射相关法。在该实施例中，计算控制器40测量垂直管道11中的气泡的上升速度以测量气泡的直径。在图17中，换能器21和22布置在垂直管道11的外部上以在水平方向上夹置垂直管道11。换能器21和22包括在第一流量测量器20中。第一流量测量器20是可以通过使用反射相关法或多普勒方法以及时差法来测量流体的流速。

通过使用反射相关法或多普勒方法来计算的流速可以被表示为(流体的流速)+(由气泡的浮力引起的流速)。另一方面，由于通过使用传播时间差而计算的流速等于流体的流速，因此两个流速之差表示气泡的上升速度。此后，计算控制器40根据图11的流程图来计算气泡的直径。

b)通过使用不同频率来进行测量的方法：

图18也是垂直管道11的放大视图，其中换能器21的驱动频率和换能器22的驱动频率彼此不同。在图18中，换能器21和22布置在垂直管道11的外壁上以在水平方向上夹置垂直管道11。换能器21的驱动频率和换能器22的驱动频率彼此不同。高频换能器21可以产生从几百[kHz]到几十[MHz]的超声波。低频换能器22可以产生从几十[kHz]到几[MHz]的超声波。

由于高频换能器21产生的超声波的波长短，因此高频换能器21可以检测来自浮力可忽视的小气泡的反射信号。显然地，高频换能器21可以同时检测来自大气泡的反射信号。另一方面，由于低频换能器22产生的超声波的波长长，因此从低频换能器22产生的超声波穿过小气泡而不反射。为此，低频换能器21无法检测来自小气泡的反射信号。

图19A至图19D是示出频率彼此不同的换能器的测量数据的图。在图19A中将低频换能器22的流速廓线P1和高频换能器21的流速廓线P2进行比较。低频换能器22检测到的廓线P1可以被表示为(流体的实际流速)+(由大气泡的浮力引起的流速)。

另一方面，高频换能器21检测的廓线P2可以被表示为(流体的实际流速)+(由小气泡和大气泡的浮力引起的流速)。为此，无论使用哪个换能器，计算控制器40都计算大于实际流速的流速。由于高频换能器21检测的反射信号包括来自小气泡的反射信号，因此通过使用高频换能器21所计算的流速低于通过使用低频换能器22所计算的平均流速(仅大气泡的流速)。

在反射相关法中，图19B至图19C所示的直方图可以通过对可用数据的数量进行计数来获得。针对可用数据，获得了两个以上反射信号的相关性。如上所述，通过使用高频换能器21检测到的流速廓线的中心值对应于流速的平均值。此外，通过使用低频换能器22检测到的流速廓线的中心值对应于流速的平均值。为此，两个直方图的之差仅对应于来自小气泡的反射信号。由于小气泡的上升速度受浮力影响小到可忽略不计，因此可以将根据该差别所获得的流速视为流体的速度。

如上所述，计算控制器40将通过使用低速换能器22而获得的流速廓线视为直径典型的气泡的速度，并且计算控制器40将根据直方图之差所获得的小气泡的速度视为流体的流速，因此计算控制器40可以根据图19B所示的平均速度与图19C所示的平均速度之间的差来计算典型气泡的上升速度。此后，计算控制器40执行与图11所示的处理相同的处理。

替代通过使用反射相关法来测量水平管道12中的流量，可以使用来自诸如科里奥利流量计的另一流量计的测量结果。

计算控制器40可以通过使用时差法来计算气泡流模式下的信号衰减。具体地，获得图12所示的反射信号幅度的廓线的处理改变为计算气泡的量的处理。图20是用于描述时差法的图。图21A是示出当气泡的量低时的信号的幅度的图。图21B是示出当气泡的量大时的信号的幅度的图。如在这些附图中所示，气泡的量越大，通过使用时差法来观察的发射波的幅度越低。计算控制器40可以根据幅度的减小量来计算气泡的量。在这种情况下，发射波的幅度t被表示为以下公式7。符号“T”表示发射波的强度。

[公式7]

t_(x) ²∝T_(x)＝I₀e^-2Snx·（其他项)

(7)

在根据发射波的幅度来计算气泡的量的情况下，不同于反射信号幅度的廓线的情况，需要预先知道当气泡不存在时检测的发射波的幅度。计算控制器40通过使用以下描述的方法1)和方法2)中的一种来计算当气泡不存在时检测的发射波的幅度。

1)计算控制器40基于公式6计算幅度的绝对值。在这种情况下，由于I₀是根据管道的条件来确定的值，因此用于确定I₀的数据表格可以存储在计算控制器40中所布置的存储器中，或者计算控制器40可以根据预定公式来计算I₀。

2)作为更可靠的方法，存在将当气泡不存在时检测的发射波的幅度存储在计算控制器40中所布置的存储器中的方法。例如，由于当自从工厂的处理停止以后经过了特定时间时气泡不存在于流体中，因此计算控制器40可以在工厂的处理停止时获得发射波的幅度。

根据上述实施例中的至少一个，多相流量计可以以低成本、通过简单配置来测量在多相流体中混合的液体、气体和固态粒子的流量。

(第三实施例)

第三实施例是气泡流模式的另一实施例(图10中的步骤S22：是)。图22是示出第三实施例中的多相流量计的图。管道安装在工厂中。管道包括彼此相邻的垂直管道和水平管道。在图22中，流体2以速度v在垂直管道1中向上流动。气泡3a和3b包括在流体2中。多相流量计10配备有上游检测器4(第一检测器)和下游检测器5(第二检测器)。

上游检测器4和下游检测器5以高度h为距离布置在垂直管道1的外壁上。此外，上游检测器4和下游检测器5沿着流体2的流动方向布置。上游检测器4和下游检测器5连接到转换器6(计算器)。

上游检测器4将超声波(第一超声波)传送到流体2。当上游检测器4传送的超声波被包括在流体2中的气泡3a反射时，上游检测器4接收所反射的超声波作为反射信号(第一反射信号)。此后，上游检测器4将反射信号传送到转换器6。

与上游检测器4相同，下游检测器5将超声波(第二超声波)传送到流体2。当下游检测器5传送的超声波被包括在流体2中的气泡3b反射时，下游检测器5接收所反射的超声波作为反射信号(第二反射信号)。此后，下游检测器5将反射信号传送到转换器6。

转换器6接收上游检测器4传送的反射信号(第一反射信号)和下游检测器5传送的反射信号(第二反射信号)。转换器6通过使用诸如反射相关法或多普勒方法的方法来基于所接收到的反射信号计算流速。此外，转换器6获得上游检测器4传送的反射信号的幅度以及下游检测器5传送的反射信号的幅度。

下游检测器5布置得比上游检测器4高了高度h。为此，当对通过上游检测器4的气泡3a的大小和通过下游检测器5的气泡3b的大小进行比较时，气泡3b比气泡3a大了水头压力(head pressure)。

转换器6计算测量数据并且累积测量数据。此外，转换器6显示并输出计算结果。为了从外部供给电力、将4-20[mA]的信号输出到外部以及与外部进行通信的目的，转换器6经由线缆连接到外部。

由于转换器6通过使用反射相关法和多普勒方法来计算作为包括在流体2中的反射体的气泡3a和3b的流速，因此上游检测器4和下游检测器5检测由(流体2的流速)+(由浮力引起的流速)表示的流速。

图23是示出用于在气泡流模式下计算气泡的量的处理的流程图。首先，上游检测器4检测流速(步骤S1)。接下来，下游检测器5检测流速(步骤S2)。另一方面，上游检测器4检测超声波幅度(步骤S3)。接下来，下游检测器5检测超声波幅度(步骤S4)。

此后，转换器6顺序地计算气泡的数量密度(步骤S5)、气泡的直径(步骤S6)和气泡的量(步骤S7)。

图24A是示出上游检测器4检测的超声波幅度(第一幅度)的分布图。图24B是示出下游检测器5检测的超声波幅度(第二幅度)的分布图。在图24A和图24B中，横轴表示超声波的传播距离x，而纵轴表示超声波的幅度r。

当对上游检测器4检测的流速与下游检测器5检测的流速进行比较时，由于气泡3b大于气泡3a，因此下游检测器5检测的流速因气泡3b的浮力而比上游检测器4检测的流速快。

另一方面，当对上游检测器4检测的超声波幅度与下游检测器5检测的超声波幅度进行比较时，由于如图24B所示那样气泡3b比气泡3a大，因此关于超声波的传播距离x，下游检测器5检测的超声波幅度比上游检测器4检测的超声波幅度衰减得多。

以下公式8是表示上游检测器4检测的超声波的幅度r₀(x)的理论公式。符号“I₀”表示超声波的入射强度。符号“A₀”表示上游检测器4检测的气泡的横截面面积。符号“n”表示气泡的数量密度[数量/m³]。符号“x”表示流体中的超声波的传播距离x。符号“α₀”表示液体的衰减常数。符号“f”表示超声波的频率。

[公式8]

以下公式9是表示下游检测器5检测的超声波的幅度r₁(x)的理论公式。符号“A₁”表示上游检测器4检测的气泡的横截面面积。

[公式9]

图25是示出幅度r₀与幅度r₁的幅度比相对于超声波的传播距离x的图。转换器6基于公式8和公式9来计算幅度比r₀/r₁(图25的曲线图)。

图25的理论公式由以下公式10表示。符号“ρ”表示流体的粘度的动态系数。符号“g”表示重力加速度。符号“v₀”表示上游检测器4检测的流速。符号“v₁”表示下游检测器5检测的流速。

[公式10]

在公式10中，(v₁-v₀)表示上游检测器4检测的流速与下游检测器5检测的流速之间的流速差，转换器6基于所检测到流速来计算流速差(v₁-v₀)。为此，在公式10中，未知值仅是气泡的数量密度n。

图26是示出将公式10拟合于图24的曲线图的图。如图26所示，转换器6通过将公式10(第一近似曲线)拟合于图25的曲线图(所算出的幅度比)同时改变未知值n来计算气泡的数量密度n。例如，转换器6通过使用最小二乘法来进行拟合，但不限于此。

气泡的数量密度n指示每单位体积的气泡的数量。因此，在图23中的步骤S5中，转换器6可以基于气泡的数量密度n来计算任意体积的气泡的数量。此外，转换器6可以根据气泡的数量密度n来确定气泡是否存在于流体中。

当确定了气泡的数量密度n时，公式8中的未知值仅是气泡的横截面面积A₀(第一横截面面积)，并且公式9的未知值仅是气泡的横截面面积A₁(第二横截面面积)。为此，转换器6通过将公式8(第二近似曲线)拟合于图24A的曲线图(上游检测器4检测的第一幅度)同时改变未知值A₀来计算横截面面积A₀。此外，转换器6通过将公式9(第三近似曲线)拟合于图24B的曲线图(下游检测器5检测的第二幅度)同时改变未知值A₁来计算横截面面积A₁。例如，转换器6通过使用最小二乘法来进行拟合，但不限于此。

气泡3a的直径d₀(第一直径)等于(A₀/π)的平方根的两倍，以及直径d₁(第二直径)等于(A₁/π)的平方根的两倍。因此，在图23的步骤S6中，转换器6可以通过使(A₀/π)的平方根加倍来计算直径d₀，并且转换器6可以通过使(A₁/π)的平方根加倍来计算直径d₁。

当确定了气泡的数量密度n以及横截面面积A₀和A₁时，转换器6可以基于以下公式11来计算上游检测器4的孔隙比和下游检测器5的孔隙比。

[公式11]

孔隙比对应于气泡的量。因此，在图23的步骤S7中，转换器6可以基于气泡的数量密度n以及横截面面积A₀来计算气泡的第一量。与此相同，转换器6可以基于气泡的数量密度n以及横截面面积A₁来计算气泡的第二量。

图27A是示出将公式8拟合于图24A的曲线图的示例的图。图27B是示出将公式9拟合于图24B的曲线图的示例的图。

如上所述，多相流量计10可以通过上述方法来输出气泡的数量密度、气泡的直径和气泡的量。

这样的配置使得多相流量计10可以同时测量气泡的数量密度、气泡的直径和气泡的量以及流体的流量。

本实施例的多相流量计10可以由类似于现有超声波流量计的简单配置来实现。这样的配置使得多相流量计10可以计算气泡的流量并且具有经济优点。

由于本实施例的多相流量计10可以通过使用反射相关法以及多普勒方法来计算流速，因此多相流量计10可以测量超声波的衰减强的流体。

由于本实施例的多相流量计10可以通过使用垂直管道1来进行测量，因此仅仅用于进行测量的水平管道不是必需的。由于可以更自由地放置管道，因此可以有效地且紧凑地铺设整个管道。

在本实施例中，对测量信号进行处理的顺序过程是使用反射信号的比较值的拟合过程。由于多相流量计10可以通过使用传统超声波流测量所需的参数来计算气泡的量，因此不需要另一参数。为此，可以最小化参数的数量。

(第四实施例)

图28是示出第四实施例中的多相流量计的图。在该图中，与图22中的部分相对应的部分被赋予了相同的附图标记，并且将省略对其的描述。在图28中，孔板(orifice)布置在垂直管道1的上游检测器4与下游检测器5之间。孔板8使得垂直管道1的直径更小。

压降通常在孔板8的下游引起。在第四实施例中，根据压降，多相流量计10基于上游检测器4和下游检测器5检测的信号来测量气泡的量等。

虽然第四实施例的具体测量方法(图28)与第三实施例的测量方法(图22)相同，但是即使图28的高度h比图22的高度h短，垂直管道1中的压降也会使得多相流量计10可以精确地测量气泡的量等。

由于第四实施例例如可适用于在垂直管道1中引起压降的情况，因此可以使用科里奥利流量计的上游与下游之间的差压。

在第三实施例(图22)和第四实施例(图28)中，仅气泡3a和3b存在于流体2中。然而，例如，在仅固态粒子存在于液体中的情况下，多相流量计10可以测量这些固态粒子中的每一个并且分别输出其测量信号。

图29是示出用于确定是气泡还是固态粒子的处理的流程图。首先，上游检测器4检测流速(步骤S11)。接下来，下游检测器5检测流速(步骤S12)。转换器6计算上游检测器4检测的流速与下游检测器5检测的流速之间的流速差(步骤S13)。

此后，转换器6将流速差与预定阈值进行比较(步骤S14)。在流速差小于或等于阈值的情况下(步骤S14：是)，转换器6输出表示“固态粒子存在”的信号(步骤S15)。在流速差大于阈值的情况下(步骤S14：否)，转换器6计算气泡的量(步骤S16)。

虽然图29基本上与图23相同，但是在转换器6计算上游检测器4检测的流速与下游检测器5检测的流速之间的流速差之后，转换器6执行对于包括在流体中的超声波反射体的确定处理(步骤S14)。

由于固态粒子没有因差压而膨胀和收缩，因此垂直管道1的上游侧与下游侧之间的流速差理想地为0[m/s]。在本实施例中，在上游侧与下游侧之间的流速差小于或等于阈值的情况下，转换器6确定反射体是固态粒子。在流速差大于阈值的情况下，转换器6确定流速差由浮力引起，并且转换器6计算气泡的量。

虽然转换器6确定固态粒子存在于流体中，但是因为固态粒子的直径的尺寸是未知的，因此转换器6无法计算固态粒子的量。然而，转换器6可以将表示固态粒子存在于流体中的消息显示在显示器上。

在这些实施例中，多相流量计1具有通过使用超声波来测量液体的流量的功能。此外，多相流量计1具有基于上游检测器4传送的反射信号和下游检测器5传送的反射信号来计算流速的功能。另外，通过使用垂直管道1中的差压(例如，差异压头、孔板的上游与下游之间的差压、科里奥利流量计的上游与下游之间的差压以及窄管的差压)，多相流量计1具有基于反射信号的强度和位置信息来计算存在于流体中的气泡的数量的功能。

此外，多相流量计1具有检测因气泡的浮力引起的效果的功能，并且多相流量计1具有计算气泡的直径和气泡的量的功能。

另外，多相流量计1具有根据因垂直管道1中的差压引起的超声波反射体的流速差来确定包括在流体中的对象是气泡还是固态粒子。

本发明的多相流量计1可以具有上述功能中的至少一种。

在上述实施例中，多相流量计1可以以低成本容易地测量混合在多相流体中的液体、气体和固态粒子的流量。

如本文中所使用的那样，以下方向术语“向前、向后、上面、向下、右、左、垂直、水平、下面、横向、行和列”以及任意其他类似方向术语是指配备有本发明的设备的那些方向。因此，为了描述本发明而利用的这些术语应该相对于配备有本发明的设备来解释。

术语“配置”用于描述包括为了执行期望功能所构造和/或编程的硬件和/或软件的装置的部件、单元或零件。

此外，在权利要求书中被表达为“装置-附加功能”的术语包括为了执行本发明的该部分的功能而利用的任意结构。

术语“单元”用于描述为了执行期望功能而构造和/或编程的硬件和/或软件的部件、单元或零件。硬件的典型示例可以包括但不限于装置和电路。

虽然以上描述和说明了本发明的优选实施例，但是应该理解，这些是本发明的示例并且不被认为是限制性的。可以在不背离本发明的范围的情况下进行添加、省略、替代和其他修改。因此，本发明不被认为通过以上描述来进行限定，而是仅由所附权利要求的范围限定。

Claims (12)

1.一种多相流量计，包括：

第一流量测量器，被配置成传送和接收第一测量信号，所述第一流量测量器布置在流体流动的垂直管道的外壁上；

第二流量测量器，被配置成传送和接收第二测量信号，所述第二流量测量器布置在连接至所述垂直管道的水平管道的外壁上；以及

流量参数计算器，被配置成接收来自所述第一流量测量器的所述第一测量信号和来自第二流量测量器的所述第二测量信号，所述流量参数计算器被配置成根据所述第一测量信号和所述第二测量信号来计算所述流体中的气泡的直径和所述流体中的气泡的每单位体积的数量密度，所述流量参数计算器被配置成根据所述气泡的直径和所述气泡的数量密度来计算所述气泡的量,

其中,所述流量参数计算器被配置为基于从所述第一流量测量器输出的第一测量信号计算作为在所述垂直管道中流动的气泡的速度的第一速度,基于从所述第二流量测量器输出的第二测量信号计算作为在所述水平管道中流动的气泡的速度的第二速度,以及基于所述第一速度和所述第二速度之差来计算气泡的直径。

2.根据权利要求1所述的多相流量计，其中，

所述流量参数计算器被配置成根据所述第一测量信号和所述第二测量信号来确定气泡是否存在或者固态粒子是否存在。

3.根据权利要求2所述的多相流量计，其中，

所述流量参数计算器被配置成计算所述固态粒子的直径和所述固态粒子的数量。

4.根据权利要求1所述的多相流量计，其中，

从所述第一流量测量器接收到的所述第一测量信号和从所述第二流量测量器接收到的所述第二测量信号是超声波信号。

5.一种多相流量计，包括：

第一检测器，其布置在垂直管道的第一位置处且其被配置成将第一超声波传送到在垂直管道中流动的流体，所述第一检测器接收作为由包括在所述流体中的气泡反射的所述第一超声波的第一反射信号；

第二检测器，在所述流体的流动方向上布置在所述第一检测器的下游且布置在所述垂直管道的高于所述第一位置的第二位置处，所述第二检测器将第二超声波传送到所述流体，所述第二检测器接收作为由所述气泡反射的所述第二超声波的第二反射信号；以及

计算器，被配置成从所述第一检测器接收所述第一反射信号，所述计算器从所述第二检测器接收所述第二反射信号，所述计算器根据所述第一反射信号和所述第二反射信号来确定气泡是否存在于所述流体中，所述计算器被配置成根据所述第一反射信号和所述第二反射信号来计算所述气泡的数量密度、所述气泡的直径和所述气泡的量,

其中,所述计算器被配置为基于从所述第一检测器接收到的第一反射信号计算作为在所述垂直管道中流动的气泡在所述第一位置处的速度的第一速度,基于从所述第二检测器接收到的第二反射信号计算作为在所述垂直管道中流动的气泡在所述第二位置处的速度的第二速度,以及基于所述第一速度和所述第二速度之差来计算气泡的数量密度。

6.根据权利要求5所述的多相流量计，其中，

所述计算器被配置成计算第一幅度与第二幅度的幅度比，

所述第一幅度表示所述第一反射信号的幅度，

所述第二幅度表示所述第二反射信号的幅度，以及

所述计算器被配置成通过将第一近似曲线拟合于所述计算器计算的幅度比来计算所述气泡的数量密度。

7.根据权利要求6所述的多相流量计，其中，

所述计算器被配置成通过使用最小二乘法来进行所述拟合。

8.根据权利要求6所述的多相流量计，其中，

所述计算器被配置成通过将第二近似曲线拟合于所述第一幅度来计算所述气泡的第一横截面面积，以及

所述计算器被配置成通过将第三近似曲线拟合于所述第二幅度来计算所述气泡的第二横截面面积。

9.根据权利要求8所述的多相流量计，其中，

所述计算器被配置成通过使用最小二乘法来进行所述拟合。

10.根据权利要求8所述的多相流量计，其中，

所述计算器被配置成基于所述计算器计算的所述第一横截面面积来计算所述气泡的第一直径，以及

所述计算器被配置成基于所述计算器计算的所述第二横截面面积来计算所述气泡的第二直径。

11.根据权利要求6所述的多相流量计，其中，

所述计算器被配置成基于所述数量密度来计算所述气泡的数量。

12.根据权利要求6所述的多相流量计，还包括：

孔板，被配置成使得所述垂直管道的直径更小，所述孔板布置在所述第一检测器与所述第二检测器之间。