JP2005283378A

JP2005283378A - 流体特性分析方法、および装置

Info

Publication number: JP2005283378A
Application number: JP2004098629A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Yamaguchi; 博司山口; Takuya Kuwabara; 拓也桑原
Original assignee: Doshisha Co Ltd
Current assignee: Doshisha Co Ltd
Priority date: 2004-03-30
Filing date: 2004-03-30
Publication date: 2005-10-13

Abstract

【課題】比較的簡便且つ低コストな装置で、流体を停止させることなく、ボイド率等の特性を測定できる技術の提供。
【解決手段】本発明にかかる流体特性分析方法においては、測定対象流体を、交番磁界中に配設された管内を流通させ、前記管内の測定対象流体を通過する磁束の変化を誘導電圧として検出し、該検出コイルから出力される誘導電圧の特性に基づいて前記測定対象流体の特性を分析することを特徴としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、管内を流れる測定対象流体の気泡含有率や気泡含有量や気泡の形状等の諸特性を分析する技術に関するものである。

従来より、管内を流れる測定対象流体の気泡含有率や気泡含有量や気泡の形状等の諸特性を分析する技術としては、差圧法、締切り法、接針（電極）法、接針（光ファイバー）法、キャパシタンス法、Ｘ線（ＣＴ）を利用した方法、中性子ラジオグラフィティ法等が知られている。
前記差圧法は、管内の差圧から二相流の体積平均密度を算出してボイド率を求める手法である。
締切り法は、管路を前後一対の急速閉鎖弁で閉鎖して気液分離後に気液体積比からボイド率を求める手法である。
接針（電極）法は、一対のプローブ電極先端間の導電率の変化からボイド率を求める手法である。
接針（光ファイバー）法は、光ファイバープローブの先端での屈折率の変化からボイド率を求める手法である。
キャパシタンス法は、一対の電極間の誘電率からボイド率を求める手法である。
Ｘ線（ＣＴ）を利用した方法は、Ｘ線の減衰率からボイド率を求める手法である。
中性子ラジオグラフィティ法は、中性子の減衰率からボイド率を求める手法である。

また、配管中を流れる導電性流体に励磁装置によって渦電流を形成させ、前記励磁装置の発生する磁束を検出して気泡の有無を検出するボイド検出装置が例えば、特許文献１等に開示されている。

特開平１１−３０４７６５号公報

ところが、上述したような従来の各手法は、実用化するにはそれぞれ問題がある。
例えば、前記差圧法は、簡便・低コストではあるが、流速が速いときや、ボイド率が高いときには誤差が大きくなるという問題がある。
締切り法は、簡便・低コストであって、うまく実施すれば高い精度が得られるが、流速が速いときや、ボイド率が高いときには誤差が大きくなるという問題がある。また、流れを止めて測定するため、バイパス配管が必要であったり、流体への影響があるという問題がある。
接針（電極）法は、比較的低コストであるが、流速が速い場合にはプローブが振動して劣化するという問題がある。また、測定対象の流体が導電性のものに限られるという問題がある。また、この方法は、時間平均ボイド率を測定する方法である。
接針（光ファイバー）法は、非導電性流体でも測定可能であるが、装置のコストが嵩むという問題がある。また、不透明な流体では測定ができないという問題がある。
キャパシタンス法は、簡便ではなく、高精度測定には特殊な技術を要するという問題がある。また、導電性流体では測定ができないという問題がある。
Ｘ線（ＣＴ）を利用した方法は、簡便ではなく、高精度測定には特殊な設備および特殊な技術を要するという問題がある。
中性子ラジオグラフィティ法は、簡便ではなく、高精度測定には特殊な設備および特殊な技術を要するという問題がある。
特許文献１に記載された方法は、測定対象の流体が導電性のものに限られ、非導電性の流体は測定できないという問題がある。

そこで、本発明は、比較的簡便且つ低コストな装置で、流体を停止させることなく、ボイド率等の特性を測定できる技術の提供を目的としてなされたものである。

本発明にかかる流体特性分析方法においては、測定対象流体を、交番磁界中に配設された管内を流通させ、前記管内の測定対象流体を通過する磁束の変化を誘導電圧として検出し、該検出コイルから出力される誘導電圧の特性に基づいて前記測定対象流体の特性を分析することを特徴としている。
請求項２の流体特性分析装置は、交番磁界中に配設された管内に測定対象流体が流通するように構成された流路と、前記管内の測定対象流体を通過する磁束の変化を誘導電圧として検出する検出コイルと、該検出コイルから出力される誘導電圧の特性に基づいて前記測定対象流体の特性を分析する特性分析手段とを備えたことを特徴としている。
請求項３の流体特性分析装置の特性分析手段は、予め設定された関数を用いて、該検出コイルから出力される誘導電圧の特性に基づいて前記測定対象流体の気泡含有率もしくは気泡含有量を測定するように構成されていることを特徴としている。
請求項４の流体特性分析装置の特性分析手段は、前記検出コイルから出力される誘導電圧の特性に基づいて、誘導電圧の変化パターンを出力する変化パターン出力手段を備えたことを特徴としている。
請求項５の流体特性分析装置の特性分析手段は、前記変化パターンに基づいて前記測定対象流体に含有される気泡の形状を判定するように構成されていることを特徴としている。
請求項６の流体特性分析装置の検出コイルは、前記流路と平行な辺を持った矩形コイルとしたことを特徴としている。
請求項７の流体特性分析方法の測定対象流体には、磁性材料を混入させたことを特徴としている。
請求項８の流体特性分析装置の測定対象流体には、磁性材料を混入させたことを特徴としている。

請求項１の分析方法もしくは請求項２の分析装置によれば、管内の測定対象流体を通過する磁束の変化を誘導電圧として検出し、この誘導電圧の特性に基づいて前記測定対象流体の特性を分析するので、導電性の流体でも非導電性の流体でも、流れを止めることなく種々の特性を分析することができる。
例えば、請求項３によれば、予め設定された関数を用いて、前記誘導電圧に基づいて前記測定対象流体の気泡含有率もしくは気泡含有量を測定することができる。
請求項４、５によれば、誘導電圧を分析して、その変化パターンを出力する変化パターン出力手段を備えているので、出力された変化パターンに基づいて、請求項５のように、前記測定対象流体に含まれる気泡の形状等の判定をすることができる。
請求項６によれば、前記検出コイルを前記流路と平行な辺を持った矩形コイルとしたので、磁束密度の変化を効率よく検出することができる。
請求項７、８によれば、前記測定対象流体には、微量の磁性材料を混入させたので、誘導起電力が大きくでき、気泡の含有率を精度よく検出することができる。

以下に、本発明の方法を実施する流体特性分析装置を、その実施の形態を示した図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の方法を実施する流体特性分析装置の構成図である。
図中、１は流体特性分析装置であり、２はその検出部、３は特性分析手段である。
前記検出部２は、管内を測定対象流体が流通するように構成された流路４に均一な交番磁界を形成するための励磁コイル21と、該励磁コイル21によって形成された均一な交番磁界内において、前記流路を通過する磁束の変化を誘導電圧の変化として検出するように配設された検出コイル22とを備えている。
前記励磁コイル21には駆動装置５から出力される励磁電力が印加される。この印加電力の電圧は所定の電圧に保たれている。また、前記印加電力の周波数は例えば100Hzに設定されている。

前記特性分析手段３は、前記検出コイル22にて検出した誘導電圧を増幅する増幅器31と、増幅した誘導電圧を測定する電圧計32と、増幅した誘導電圧が入力されて、その誘導電圧値や変化パターンに基づいて前記流体のボイド率や気泡形状等の特性を分析するコンピュータ33とから構成されている。

前記検出部２における励磁コイル21は、図示したように、流路を挟んだ一対のコイルからなり、１対のコイルの巻線は直列に接続されている。前記検出コイル22は、図示したように、前記励磁コイル21の内側に包含される１対の矩形状のコイルから構成され、それぞれが前記流路と前記励磁コイル21との間に配設されている。
また、励磁コイル21の外側には補正コイル23が配設されている。
前記検出部２の側面図を示した図２のように、検出コイル22および補正コイル23の対角線は励磁コイル21の直径より小さく、検出コイル22の対角線の交点、補正コイル23の対角線の交点、および励磁コイル21の中心は、流路の中心軸上の一点において一致し、検出コイル22および補正コイル23のそれぞれ１組の対辺が、流路と平行になるように配設されている。

なお、前記流路を形成する配管は非磁性体であるアクリル管が用いられており、励磁コイル21の巻数は100Ｔ、検出コイル22の巻数は150Ｔである。
このとき、前記励磁コイル21に、20Ｖ、100Hzの交流を印加すると、約0.75ｍＡの電流が流れた。

上記構成において、前記検出コイル22における磁束密度Ｂは次式（１）のように示される。

ここで、μ₀は真空透磁率、Ｈは磁界、Ｍは流体の磁化、αは流体の平均のボイド率である。
また、検出コイル22の１巻当たりの起電力をＶとし、巻数をｎとすると、検出コイル22にて検出される誘導起電力と磁束密度との関係は次式（２）のように示される。

（１）、（２）より次式（３）

が導かれる。
従って、磁界Ｈ、流体の磁化Ｍ、巻数ｎ、真空透磁率μ₀が与えられた条件化においては、誘導起電力Ｖを測定することによって、ボイド率αを得ることが可能となる。

従って、誘導起電力Ｖとボイド率αとの相関関係を予め実験して、ボイド率を誘導起電力を変数として表現する関数を求めておく。
そのようにして求めた関数を、前記コンピュータ33にプログラムしておくことによって、検出される誘導起電力に応じたボイド率が出力される。

このとき、測定対象流体に磁性体を混入させることによって、当該流体の磁化Ｍが大きくなり、ボイド率の検出精度を向上させることができる。

以上においては、ボイド率の測定の例を示したが、本発明によれば、含有される気泡の形状を知ることも可能である。
前記コンピュータ33において、誘導起電力の波形の包絡線を抽出して変化パターンを出力するプログラムを動作させることによって、図３に示したように、誘導起電力の波形の包絡線を抽出して、誘導起電力の変化パターンとして出力して表示することができる。
大きな気泡が含まれていない場合には、誘導起電力の波形の包絡線は、図３の（ａ）に示したようにほぼ直線状になるが、図３の（ｂ）のような球状の大きな気泡が含まれている場合には、図３の（ｃ）に示したように気泡の形状に応じた包絡線（気泡の形状の半分の形状に対応した形状の包絡線）が観測される。また、図３の（ｄ）のような筒状の大きな気泡が含まれている場合には、図３の（ｅ）に示したように気泡の形状に応じた包絡線（気泡の形状の半分の形状に対応した形状の包絡線）が観測される。
このような気泡の形状に応じた包絡線は、前記コンピュータ33に代えて単なるオシロスコープ等の装置でも観測することができる。
前記コンピュータ33もしくはオシロスコープが、特許請求の範囲に記載された変化パターン出力手段に相当する構成である。

磁性体の濃度が100％（体積濃度）の場合の実施例においては、図４に示したように、極めて高い相関関係が得られた。図４において、横軸は誘導起電力の変化：ΔＶ（Ｖ）、縦軸は締切り法で測定したボイド率：αである。このときの液相の体積流束は0.054ｍ／ｓと0.161ｍ／ｓである。
磁性体の濃度が10％（体積濃度）の場合の実施例においては、図５に示したように、十分な相関関係が得られた。このときの液相の体積流束は0.054ｍ／ｓと0.108ｍ／ｓである。
また、磁性体の濃度を１％（体積濃度）とした場合でも、図６に示したように、十分な相関関係が得られた。図６において、（ａ）の液相の体積流束は０ｍ／ｓ、（ｂ）の液相の体積流束は0.042ｍ／ｓである。
このように、磁性体の濃度が低い場合もしくは磁性体を混入しない場合には、誘導起電力の変化が微少になるが、信号処理を適切に行うことによって、十分な精度のボイド率の測定が可能になる。従って、気泡含有量の測定も可能になる。

本願によれば、種々の磁性流体における気泡含有状況を測定することができ、磁性体を含んでいない流体の場合には、所定量の磁性体を混入すればよい。

本発明の実施の形態の構成を示した構成図である。図１の要部の説明図である。本発明による気泡形状の観測例を示す説明図である。本発明の実施例による気泡含有率の測定例を示す説明図である。本発明の実施例による気泡含有率の測定例を示す説明図である。本発明の実施例による気泡含有率の測定例を示す説明図である。

符号の説明

１流体特性分析装置
２検出部
21 励磁コイル
22 検出コイル
３特性分析手段
31 増幅器
32 電圧計
33 コンピュータ
４流路
５駆動装置

Claims

測定対象流体を、交番磁界中に配設された管内を流通させ、
前記管内の測定対象流体を通過する磁束の変化を誘導電圧として検出し、
該検出コイルから出力される誘導電圧の特性に基づいて前記測定対象流体の特性を分析することを特徴とする流体特性分析方法。
交番磁界中に配設された管内に測定対象流体が流通するように構成された流路と、
前記管内の測定対象流体を通過する磁束の変化を誘導電圧として検出する検出コイルと、
該検出コイルから出力される誘導電圧の特性に基づいて前記測定対象流体の特性を分析する特性分析手段と
を備えたことを特徴とする流体特性分析装置。
前記特性分析手段は、
予め設定された関数を用いて、該検出コイルから出力される誘導電圧の特性に基づいて前記測定対象流体の気泡含有率もしくは気泡含有量を測定するように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の流体特性分析装置。
前記特性分析手段は、
前記検出コイルから出力される誘導電圧の特性に基づいて、誘導電圧の変化パターンを出力する変化パターン出力手段を備えたことを特徴とする請求項２に記載の流体特性分析装置。
前記特性分析手段は、
前記変化パターンに基づいて前記測定対象流体に含有される気泡の形状を判定するように構成されていることを特徴とする請求項４に記載の流体特性分析装置。
前記検出コイルは、
前記流路と平行な辺を持った矩形コイルとしたことを特徴とする請求項２乃至５の何れかに記載の流体特性分析装置。
前記測定対象流体には、磁性材料を混入させたことを特徴とする請求項１に記載の流体特性分析方法。
前記測定対象流体には、磁性材料を混入させたことを特徴とする請求項２乃至６の何れかに記載の流体特性分析装置。