JP2001504588A

JP2001504588A - 流れ媒体中の伝導率分布を測定する格子センサ及びそれらの測定信号を得る方法

Info

Publication number: JP2001504588A
Application number: JP52413198A
Authority: JP
Inventors: プラッサー・ホルスト―ミヒャエル; ツシャウ・ヨッヘン; ベットガー・アルント
Original assignee: フォルシュングスツェントルム・ロッセンドルフ・エー・ファウ
Priority date: 1996-11-27
Filing date: 1997-11-17
Publication date: 2001-04-03
Anticipated expiration: 2017-11-17
Also published as: DE19649011C2; DE59708141D1; ES2182129T3; JP4090077B2; EP0941472A1; DE19649011A1; WO1998023947A1; US6314373B1; EP0941472B1

Abstract

(57)【要約】本発明は、任意の流れ方向の液体又は多相媒体中の伝導率分布を測定する測定装置に関する。本発明では、格子センサが紹介される。この格子センサ中には、電気伝導性の格子棒又は針金の形をしている複数の電極が、２つ又は３つの平面内で互いに平行に配置されていて、そして支持部材に対して絶縁されかつ互いに絶縁されて配置されている。これら個々の平面の電極が、本発明に基づいて特に互いに90°の角度をなして配置されている。この場合、これらの平面の１つが、平面が３つの場合にはその中央の平面が、励振平面としてインパルス発生器に接続されている。その一方で、その他の平面が、検出器平面として電子分析装置に接続されている。信号を得る方法に関して、本発明は、この励振平面のこれらの電極が対称で両極性の１つの矩形インパルスによって順々に作動される。この場合、作動されなかった全ての励振電極は、零電位に低抵抗的に接続されている。

Description

【発明の詳細な説明】流れ媒体中の伝導率分布を測定する格子センサ及びそれらの測定信号を得る方法本発明は、特に方法技術と発電所技術で使用する任意の方向に流れる液体又は多相媒体中の伝導率分布を測定する測定装置に関する。この場合、この電気伝導率が、主に別の物理的な又は化学的な特性（例えば、気体の体積含有率，濃度，材料の種類等）に関する目安として、又は多相媒体の測定断面にわたる相分布に対する指標として使用される。液体及び多相混合物の特性、例えば、気体の体積含有率を測定するために、電気伝導率の測定が広く使用される。このために、測定すべき媒体の直流電圧励振や交流電圧励振が使用される。この分析は、純粋なオーミック抵抗又はインピーダンスを測定することによって実行される。特に、この目的のために、実験装置の場合でも高度な技術の用途の場合でも、平行に若しくは同心円状に配置されている針金状の又は偏平状の複数の電極が、測定すべき媒体中に入れられる。次いで、その電気伝導率が、例えば、針プローブで局所的に[ドイツ連邦共和国特許第3201799号明細書]、又は偏平状の複数の電極の間で全体的に測定される[ドイツ連邦共和国特許第4041160号明細書]。断面にわたってその局所の電気伝導率分布を測定するためには、これらの方法はほとんど適さない。それ故、所定の断面にわたって液体又は多相系の特性分布を測定するためには、断層撮影的な測定方法が非常に多く使用される。干渉計による又はホログラフィによる分析方法で光ビーム又は粒子ビームを使用するほかに、特に、電気伝導率の測定や静電容量の測定方法を取入れたこの電気的な断層撮影方法の応用が実証されている。電流経路の端部に沿って複数の電極を備える非接触法のほかに、複数の電極が媒体の流れ方向に対して横方向に格子状に配置される方法（いわゆるワイヤ・メッシュ・センサ）は定着している。ハノーバ大学で開発された方法[M.Boden，N.Reinecke，D.Mewes:"Measurement of two-dimensional phase distributions using a wire-mesh sensor",Proc.E CAPT,Oporto,Portugal,1994pp.155-162]では、３平面に沿って平行な複数の針金が、測定すべき断面内で媒体の流れに対して垂直に配置され、かつ、その伝導率が、１つの平面の平行に隣合う２本の針金の間で常に連続的に測定される。隣接する平面のこれらの針金が、互いに60°の角度をなして延在している。測定が３つ全ての平面の平行に隣接する各２本の針金の間で全て実施された後、針金格子の向く方向によって設定される３方向の伝導率分布の映像が生成される。すなわち、その電気伝導率が、大規模な断層撮影の再現アルゴリズムを用いて算出される。これらの測定結果の数学的な検査は、多数の針金の実際の取扱いの可能性と、所定の断面にわたって伝導率分布を測定するために利用可能な周波数とを大幅に制限する。本発明の課題は、断層撮影の再現アルゴリズムを使用することなしに格子センサを使用して流れ媒体の伝導率の分布を測定することにある。本発明の課題は、請求の範囲に記載の技術的手段によって解決される。本発明によれば、格子センサによって限定した断面内部の流れ媒体の電気伝導率の分布の測定が、高い分解能と高精度の測定結果でもって実現可能である。これらの受取った測定値は、局所の伝導率値を直接に示し、かつ断層撮影の再現アルゴリズムによる追加の検査を必要としない。このために、少なくとも２つの電極面を有する格子センサが必要である。さらに、３平面構造体によれば、伝導率の変化で明瞭に分かる流れ媒体中の不均一性の変動の追跡が、流れ方向に沿って可能である。したがって、２相流れの場合に対しては、その速度の測定が気体粒子によって実行され得る。比較的多相の３平面構造体を直列に配置すれば、観察すべき体積部分が任意に拡大できる。本発明を実施の形態に基づいて詳しく説明する。試験目的に対して、公称直径が50mmの導管用の２平面格子センサは、１平面当たり直径d=0.15mmの16本のコンスタンタンの針金で構成された。そのセンサ本体はＶ２Ａ製である。これらの針金は、温度に対して安定なエポキシ樹脂で絶縁され、その基体内に張架されて取付けられた。工業関係の使用に対して、１つの２平面センサは、公称直径が50mmの導管用の１平面当たり8本のロッド状電極で構成され、１つの２平面センサは、公称直径が100mmの導管用の１平面当たり16本のロッド状電極で構成された。これらのセンサは、流体抵抗を下げるため及び強度上の理由からレンズ状に形成した複数のＶ２Ａ格子棒を断面直径1.5mmで長さ5mmの電極として備える。このセンサ基体は電気伝導性の物質（Ｖ２Ａ）から成る。これらの格子センサを作動させて活用するために、以下の電気的な機能のグループが使用される。これらのグループは、それぞれ、 −励振電圧生成部及び励振電圧調整部， −電流電圧変換器及び信号調節部， −サンプル・ホールド回路， −デジタル／アナログ変換器， −静的な測定値記憶装置， −ワンチップ・コンピュータ， −制御ユニットである。この測定工程は、励振電極の本数に一致する等間隔の測定周期の回数分だけ分割され、制御回路、特にＡＳＩＣによって制御される。外部からこのＡＳＩＣに供給され、このＡＳＩＣの周波数でプログラミング可能な１つのサイクルは、１つの測定周期の期間を決定する。さらに、この測定周期がn個の部分に分割される。そして、これらの信号の経時変化が、測定機能と分析機能とを制御するためにそれらn個の部分によってプログラミングされ得る。個々の励振電極に対するこれらの測定周期が、カウンタによって時系列順にカウントされる。この測定工程は、測定周期を任意にカウントした後に中断され、そして新たに開始され得る。各測定周期に対して、対称で両極性の１つの励振矩形インパルス（｜+U_Anst｜ =｜-U_Anst｜）は、アナログ回路又は＋入力端子にオフセット電圧が現れる演算増幅器を用いて線間電圧から取出され、そして電流負帰還増幅器を経由して複数の励振電極に時間をずらして順々に入力される。この場合、作動されなかった全ての励振電極は、零電位に低抵抗的に接続されている。その励振矩形電圧の時間的な平均値は零である。したがって、格子電極の作動部には、電解による影響を回避するために直流電圧が存在しない。センサ基体は零電位に接続されるので、そのセンサは電位的に一義的に規定されている。検出器表面の電極に入力した電流は、低い入力抵抗を有する電流／電圧変換器によって電圧に変換される。検出器の複数の電極に入力した電流は、その検出器表面の全ての電極に対する過度現象的な振動過程が減衰した後になって初めて同時に分析される。この目的のために、全ての分析チャネルの電圧信号は、その分析の終了まで信号生成部の出力部でサンプル・ホールド回路によって保持される。３つの電極平面を有する複数のセンサでは、その中央の平面が、励振器として切替わられ、かつ検出器の隣接する両平面上で作用する。電圧の形で得られる測定信号の分析は、別の方法で実行される。２つの可能性を以下に説明する：１．接続しているサンプル・ホールド回路に適合した信号生成部により、信号電圧がデジタル化される。サンプル状態からホールド状態への移行は、全てのサンプル・ホールド回路に対して同時に起きる。次いで、それらの受取ったデジタル化した信号電圧が、マイクロプロセッサによって予備圧縮され中間記憶され得る。この予備圧縮では、それらの測定結果が、貫流する媒体の個々の相の測定値と参照され規格化され分析される。この目的のために、まず第一に、算出した測定値ＭＷ_er＝ＭＷ/ＭＷ-ＭＷ/ＭＷが生成されることによって、個々の相（ＭＷ₁，ＭＷ₂）の伝導率が較正しつつ測定され、引続きこれらの伝導率にしたがって測定値ＭＷが参照される。この分析では、場所に依存する測定値の評価結果（センサの周辺領域内の影響の調整）が考慮され得る。２．信号生成回路中で評価した複数の信号電圧は、より小さい伝導率を有する多相媒体の相の伝導率に相当する複数の基準電圧と比較される。この場合、ある瞬間のその時の相の状態に関する１つの直接的な二次元情報が、その測定される位置で得られる。しかしながら、このとき、これらの測定ごとの基準電圧を、Ａ／Ｄ変換器，マイクロプロセッサ及びＤ／Ａ変換器から構成される測定ユニットを通じ、周辺領域の影響を場所に依存して考慮しつつ、場合によっては起こり得る温度変化や濃度変化等に応じて算出し割当てることが必要である。この第２番目の分析可能性が主に２相系に対して使用可能であるのに対して、第１番目の分析可能性は汎用的な用途に適している。流れ方向に沿った伝導率の変化、例えば、その速度の測定の変化又は気体粒子の大きさの変化で明瞭に分かるその流れ媒体中の不均一性の変動を追跡するため、これらの多数の３平面センサが相前後して配置され、かつ、それらの測定値の分析が同時に実行される。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項【提出日】平成１０年９月９日（１９９８．９．９）【補正内容】明細書流れ媒体中の伝導率分布を測定する格子センサ及びそれらの測定信号を得る方法本発明は、特に方法技術と発電所技術で使用する任意の方向に流れる液体又は多相媒体中の伝導率分布を測定する測定装置に関する。この場合、この電気伝導率が、主に別の物理的な又は化学的な特性（例えば、気体の体積含有率，濃度，材料の種類等）に関する目安として、又は多相媒体の測定断面にわたる相分布に対する指標として使用される。液体及び多相混合物の特性、例えば、気体の体積含有率を測定するために、電気伝導率の測定が広く使用される。このために、測定すべき媒体の直流電圧励振や交流電圧励振が使用される。この分析は、純粋なオーミック抵抗又はインピーダンスを測定することによって実行される。特に、この目的のために、実験装置の場合でも高度な技術の用途の場合でも、平行に若しくは同心円状に配置されている針金状の又は偏平状の複数の電極が、測定すべき媒体中に入れられる。次いで、その電気伝導率が、例えば、針プローブで局所的に[ドイツ連邦共和国特許第3201799号明細書]、又は偏平状の複数の電極の間で全体的に測定される[ドイツ連邦共和国特許第4041160号明細書]。断面にわたってその局所の電気伝導率分布を測定するためには、これらの方法はほとんど適さない。それ故、所定の断面にわたって液体又は多相系の特性分布を測定するためには、断層撮影的な測定方法が非常に多く使用される。干渉計による又はホログラフィによる分析方法で光ビーム又は粒子ビームを使用するほかに、特に、電気伝導率の測定や静電容量の測定方法を取入れたこの電気的な断層撮影方法の応用が実証されている。電流経路の端部に沿って複数の電極を備える非接触法のほかに、複数の電極が媒体の流れ方向に対して横方向に格子状に配置される方法（いわゆるワイヤ・メッシュ・センサ）は定着している。ハノーバ大学で開発された方法[M.Boden，N.Reinecke，D.Mewes:"Measurement of two-dimensional phase distributions using a wire-meshsensor",Proc.EC APT,Oporto,Portugal,1994 pp.155-162]では、３平面に沿って平行な複数の針金が、測定すべき断面内で媒体の流れに対して垂直に配置され、かつ、その伝導率が、１つの平面の平行に隣合う２本の針金の間で常に連続的に測定される。隣接する平面のこれらの針金が、互いに60°の角度をなして延在している。測定が３つ全ての平面の平行に隣接する各２本の針金の間で全て実施された後、針金格子の向く方向によって設定される３方向の伝導率分布の映像が生成される。すなわち、その電気伝導率が、大規模な断層撮影の再現アルゴリズムを用いて算出される。これらの測定結果の数学的な検査は、多数の針金の実際の取扱いの可能性と、所定の断面にわたって伝導率分布を測定するために利用可能な周波数とを大幅に制限する。平行な複数の電極による２つの平面から構成されるセンサは、米国特許第4,64 4,263号明細書から知られている。この場合、これら両平面の電極が90°の角度をなして配置されている。一方の平面の電極が送信電極として利用され、他方の平面の電極が受信電極として利用される。これらの送信電極がマルチプレクサによって順次に作動される。伝導性の相の存在は、二進法の情報として検出される。第２のマルチプレクサを用いると、各受信電極に対して、その受信電極に入力する電極が設定されたしきい値よりも大きいか又は小さいかどうかが検査される。これらの結果が多重化されると、人は、検査したその断面を介してデジタル化した複数の決定値から１つの比を受取る。欠点は、人がその交差点内で局所の伝導率の二進法の評価結果しか受取らない点、及びそれらの測定結果が変化して測定されてしまう点である。米国特許第5,210,499号明細書中には、この米国特許第4,644,263号明細書中に記載の装置が抵抗の測定に変更される。この技術的な解決手段は、電気伝導率が速く変化するときの使用に対して適さない。本発明の課題は、断層撮影の再現アルゴリズムを使用することなしに格子センサを使用して流れ媒体の伝導率の分布を測定することにある。さらに、その測定が速い測定速度と高い精度で可能になる。本発明の課題は、請求の範囲に記載の技術的手段によって解決される。本発明によれば、格子センサによって限定した断面内部の流れ媒体の電気伝導率の分布の測定が、高い分解能と高精度の測定結果でもって実現可能である。これらの受取った測定値は、局所の伝導率値を直接に示し、かつ断層撮影の再現アルゴリズムによる追加の検査を必要としない。このために、少なくとも２つの電極面を有する格子センサが必要である。さらに、３平面構造体によれば、伝導率の変化で明瞭に分かる流れ媒体中の不均一性の変動の追跡が、流れ方向に沿って可能である。したがって、２相流れの場合に対しては、その速度の測定が気体粒子によって実行され得る。比較的多相の３平面構造体を並列に配置すれば、観察すべき体積部分が任意に拡大できる。本発明を実施の形態に基づいて詳しく説明する。試験目的に対して、公称直径が50mmの導管用の２平面格子センサは、１平面当たり直径d=0.15mmの16本のコンスタンタンの針金で構成された。そのセンサ本体はＶ２Ａ製である。これらの針金は、温度に対して安定なエポキシ樹脂で絶縁され、その基体内に張架されて取付けられた。工業関係の使用に対して、１つの２平面センサは、公称直径が50mmの導管用の１平面当たり８本のロッド状電極で構成され、１つの２平面センサは、公称直径が100mmの導管用の１平面当たり16本のロッド状電極で構成された。これらのセンサは、流体抵抗を下げるため及び強度上の理由からレンズ状に形成した複数のＶ２Ａ格子棒を断面直径1.5mmで長さ5mmの電極として備える。このセンサ基体は電気伝導性の物質（Ｖ２Ａ）から成る。これらの格子センサを作動させて活用するために、以下の電気的な機能のグループが使用される。これらのグループは、それぞれ、 −励振電圧生成部及び励振電圧調整部， −電流電圧変換器及び信号調節部， −サンプル・ホールド回路， −デジタル／アナログ変換器， −静的な測定値記憶装置， −ワンチップ・コンピュータ， −制御ユニットである。この測定工程は、励振電極の本数に一致する等間隔の測定周期の回数分だけ分割され、制御回路、特にＡＳＩＣによって制御される。外部からこのＡＳＩＣに供給され、このＡＳＩＣの周波数でプログラミング可能な１つのサイクルは、１つの測定周期の期間を決定する。さらに、この測定周期がn個の部分に分割される。そして、これらの信号の経時変化が、測定機能と分析機能とを制御するためにそれらn個の部分によってプログラミングされ得る。個々の励振電極に対するこれらの測定周期が、カウンタによって時系列順にカウントされる。この測定工程は、測定周期を任意にカウントした後に中断され、そして新たに開始され得る。各測定周期に対して、対称で両極性の１つの励振矩形インパルス（｜+U_Anst｜ =｜-U_Anst｜）は、アナログ回路又は＋入力端子にオフセット電圧が現れる演算増幅器を用いて線間電圧から取出され、そして電流負帰還増幅器を経由して複数の励振電極に時間をずらして順々に入力される。この場合、作動されなかった全ての励振電極は、零電位に低抵抗的に接続されている。その励振矩形電圧の時間的な平均値は零である。したがって、格子電極の作動部には、電解による影響を回避するために直流電圧が存在しない。センサ基体は零電位に接続されるので、そのセンサは電位的に一義的に規定されている。検出器表面の電極に入力した電流は、低い入力抵抗を有する電流／電圧変換器によって電圧に変換される。検出器の複数の電極に入力した電流は、その検出器表面の全ての電極に対する過度現象的な振動過程が減衰した後になって初めて同時に分析される。この目的のために、全ての分析チャネルの電圧信号は、その分析の終了まで信号生成部の出力部でサンプル・ホールド回路によって保持される。３つの電極平面を有する複数のセンサでは、その中央の平面が、励振器として切替わられ、かつ検出器の隣接する両平面上で作用する。電圧の形で得られる測定信号の分析は、別の方法で実行される。２つの可能性を以下に説明する：１．接続しているサンプル・ホールド回路に適合した信号生成部により、信号電圧がデジタル化される。サンプル状態からホールド状態への移行は、全てのサンプル・ホールド回路に対して同時に起きる。次いで、それらの受取ったデジタル化した信号電圧が、マイクロプロセッサによって予備圧縮され中間記憶され得る。この予備圧縮では、それらの測定結果が、貫流する媒体の個々の相の測定値と参照され規格化され分析される。この目的のために、まず第一に、算出した測定値ＭＷ_er＝ＭＷ/ＭＷ-ＭＷ/ＭＷが生成されることによって、個々の相(ＭＷ₁，ＭＷ₂)の伝導率が較正しつつ測定され、引続きこれらの伝導率にしたがって測定値ＭＷが参照される。この分析では、場所に依存する測定値の評価結果（センサの周辺領域内の影響の調整）が考慮され得る。２．信号生成回路中で評価した複数の信号電圧は、より小さい伝導率を有する多相媒体の相の伝導率に相当する複数の基準電圧と比較される。この場合、ある瞬間のその時の相の状態に関する１つの直接的な二次元情報が、その測定される位置で得られる。しかしながら、このとき、これらの測定ごとの基準電圧を、Ａ／Ｄ変換器，マイクロプロセッサ及びＤ／Ａ変換器から構成される測定ユニットを通じ、周辺領域の影響を場所に依存して考慮しつつ、場合によっては起こり得る温度変化や濃度変化等に応じて算出し割当てることが必要である。この第２番目の分析可能性が主に２相系に対して使用可能であるのに対して、第１番目の分析可能性は汎用的な用途に適している。流れ方向に沿った伝導率の変化、例えば、その速度の測定の変化又は気体粒子の大きさの変化で明瞭に分かるその流れ媒体中の不均一性の変動を追跡するため、これらの多数の３平面センサが相前後して配置され、かつ、それらの測定値の分析が同時に実行される。請求の範囲 1．流れ方向に対して垂直に配置されていて、２つ又は３つの平面内で互いに平行に配置されていて、そして支持部材に対して絶縁されかつ互いに絶縁されて配置されている、電気伝導性の格子棒又は針金の形をした複数の電極から構成される流れ媒体中の伝導率分布を、１つのインパルス発生器と１つの電子分析装置を使用しつつ測定する格子センサにおいて、３つの平面内のこれらの電極が、互いに90°の角度をなして配置されていること、この中央の平面が、励振平面としてインパルス発生器に接続されていて、かつ、その他の平面が、検出器平面として電子分析装置に接続されていることを特徴とする格子センサ。 2．複数の電極は、流体抵抗を下げて、ひいては格子棒として形成されたこれらの電極への動的効果を低減させるために流体力学的に良好に形成されていることを特徴とする請求の範囲の第１項に記載の格子センサ。 3．格子棒は、使用時に流れの反転を考慮してその流れ方向に対して対称な輪郭を有することを特徴とする請求の範囲の第１項又は第２項に記載の格子センサ。 4．請求の範囲の第１項に記載の格子センサを使用して流れ媒体中の電気伝導率の分布を測定する方法において、 −励振平面の複数の電極は、対称で両極性の１つの矩形インパルスによって順々に作動され、この場合、作動されなかった全ての電極が、零電位に低抵抗的に接続されていて、 −１つの励振電極と１つの検出器電極それぞれの交差点のすぐ近辺の局所の伝導率は、この励振電極を電気的に起動させた時にこの検出器電極に入力する電流を測定することによって測定され、 −この入力電流は、１つの励振電極と全ての検出器電極それぞれの間の全ての交差点のすぐ近辺の局所の伝導率の目安として同時に測定され、 −これら個々の励振電極は、時系列順に起動され、そして全ての交差点で測定された複数の入力電流が、捕捉された流れ断面を介して１つの伝導率分布に組合わされることを特徴とする方法。 5．測定は、過度現象的な電気振動過程が減衰した後になって初めて複数の電極で電子分析装置によって実施されることを特徴とする請求の範囲の第４項に記載の方法。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ベットガー・アルントドイツ連邦共和国、Ｄ―01279 ドレスデン、ライバッヒャー・ストラーセ、11

Claims

【特許請求の範囲】 1．流れ方向に対して垂直に配置されていて、２つ又は３つの平面内で互いに平行に配置されていて、そして支持部材に対して絶縁されかつ互いに絶縁されて配置されている、電気伝導性の格子棒又は針金の形をした複数の電極から構成される流れ媒体中の伝導率分布を測定する格子センサにおいて、これら個々の平面のこれらの電極が、互いに90°の角度をなして配置されていること、これらの平面の１つが、平面が３つの場合にはその中央の平面が、励振平面としてインパルス発生器に接続されていて、かつ、その他の平面が、検出器平面として電子分析装置に接続されていることを特徴とする格子センサ。 2．複数の電極は、流体抵抗を下げて、ひいては格子棒として形成されたこれらの電極への動的効果を低減させるために流体力学的に良好に形成されていることを特徴とする請求の範囲の第１項に記載の格子センサ。 3．格子棒は、使用時に流れの反転を考慮してその流れ方向に対して対称な輪郭を有することを特徴とする請求の範囲の第１項又は第２項に記載の格子センサ。 4．多数の３平面構造体は、列をなして１つの測定装置に組合わせられていることを特徴とする請求の範囲の第１項に記載の格子センサ。 5．請求の範囲の第１項に記載の格子センサを使用しつつ流れ媒体中の電気伝導率の分布を測定する方法において、 −励振平面の複数の電極は、対称で両極性の１つの矩形インパルスによって順々に作動され、この場合、作動されなかった全ての電極が、零電位に低抵抗的に接続されていて、 −１つの励振電極と１つの検出器電極それぞれの交差点のすぐ近辺の局所の伝導率は、この励振電極を電気的に起動させた時にこの検出器電極に入力する電流を測定することによって測定され、 −この入力電流は、１つの励振電極と全ての検出器電極それぞれの間の全ての交差点のすぐ近辺の局所の伝導率の目安として同時に測定され、 −これら個々の励振電極は、時系列順に起動され、そして全ての交差点で測定された複数の入力電流が、捕捉された流れ断面を介して１つの伝導率分布に組合わされることを特徴とする方法。 6．測定は、過度現象的な電気振動過程が減衰した後になって初めて複数の電極で電子分析装置によって実施されることを特徴とする請求の範囲の第５項に記載の方法。