JP2005528601A - 渦流量計を用いた二相流の監視 - Google Patents

Abstract

二相流を監視する方法において、渦流量計を使用して流れの構造を示す信号を生成し、該信号の成分と変動と用いて流れの相状態を測定する。

Description

本発明は、二相流の監視、特に流体の流れの検出と測定における改良またはこの監視に関連した改良に関する。

特に、本発明は、流体の流れにおける第２の相成分の存在の検出、従来の単相流量計からのセンサ信号を条件付けることなく分析して、気液二相流の流れの構造における各相の相対的な大きさの測定に関係する。

流量計には、オリフィスプレート／ＤＰ流量計、タービン流量計、コリオリの流量計、電磁流量計、渦流量計を含む様々な異なるタイプの流量計が存在し、各々、異なる動作機構、方法を採用して、測定すべき流れを検出し測定値を提供するようになっている。流量計タイプの選択は、特に、個々の用途と、そのコストと、信頼性と、精度とに依存するだろう。各タイプはそれに付随する欠点と利点とを有する。

本発明は、特に、然しながら排他的にではなく、例えば渦生成体(shedder bar)のような鈍頭物体(bluff body)を、流体が流通する閉じた導管の中に流れの方向に対して直角に横断するよう、かつ、中央に配置して、カルマン渦が発生するようにした渦流量計に関連する。

添付図面の図１５を参照すると、流動する流体中に直径Ｄの円筒形の鈍頭物体が浸漬されている。レイノルド数が約０．５未満である場合には、圧力勾配（ｖ²に依存する）が非常に小さいので、その円筒の周囲の２つの境界層は互いに分離しない。

レイノルド数が約２から約３０までのの場合には、流れの境界層は対称的に互いに分離し、その流れが再び合流する前に２つの鏡像渦を生じさせる。レイノルド数が増大するにつれて、渦は円筒の両側から交互に離脱し、２つの互い違いの渦列が発生する。これはカルマン渦列である。各々の渦は１つおきの渦の領域内に存在しているので、こうした渦の系が静止流体内に存在しているのならば、その系は上流に移動することになるだろう。

現実の条件下では、渦生成周波数はストロハル数Ｓｔによって決定される。円筒形の鈍頭物体の場合には、ストロハル数はｆＤ／Ｕであり、0.198(1-19.7/Re)によって与えられる。ここで、ｆは渦生成周波数であり、Ｄは円筒の直径であり、Ｕは平均流速であり、Ｒｅはレイノルド数である。
従って、Ｑ＝ｋ₁×ｆ
であり、
ここでＱは体積流量であり、ｋ₁は定数である。

本質的に、渦生成周波数は流速の関数であり、渦の存在が確実かつ実際的に検出される場合には、その渦の物理的属性、特に、温度、圧力、密度、粘度、伝導性等とはほとんど無関係であって、これは、典型的には、約１００００よりも大きいレイノルド数に依存している。

渦流量計により渦の生成を検出するために使用される方法は、差圧センサを使用して、渦の通過によって引き起こされる渦生成体の付近の流体圧力の変化を検出すること、または、移動する渦によって固定羽根に作用する力を検出すること、または、渦によって渦生成体に作用するトルクを検出すること、または、横断方向の超音波ビームに対する渦の影響を観察することを含む。

この渦流量計の特有の特徴は、流体の流れに対する渦生成体の影響が、流体が流通する導管の横断面におけるあらゆる障害または変化によって引き起こされる影響と基本的に同じであり、ベルヌーイの式に従えば、
ｐ／ρｇ＋ｖ²／２ｇ＋ｚ＝定数
となる。
ここで、Ｐは圧力であり、ρは密度であり、ｖは流速であり、ｇは重力加速度である。

従って、渦生成体を挟んだ圧力低下は、流動する流体の流速の２乗と密度との関数であり、
Ｑ＝ｋ₂×（ΔＰ／ρ）^1/2
ここで、Ｑは体積流量であり、
ΔＰは渦生成体を挟んで生じる差圧であり、
ｋ₂はさらに別の定数である。

一定の流量状態で、かつ、差圧センサを用いて渦を検出する場合には、渦センサからの振動する信号は、±１０％ほどの周期的な変動と、より広範な振幅の変動とによって特徴付けられる。従って、通常、こうした変動が除去されるようにセンサ信号が調整される。単相流体において動作する典型的な渦流量計の場合には、渦生成の周波数は体積流量Ｑに比例し、かつ、渦センサ信号の平均振幅（Ａ₀）が体積流量の２乗で増加する。
すなわち、Ａ₀＝αＱ²
ここで、α＝ργG_AC_p／ａ
であり、
ρ＝流体密度（ｋｇ／ｍ³）
Ｇ_A＝増幅器の利得、
γ＝センサの感度（ＶＮ^-1ｍ²）
ａ＝パイプラインの面積（ｍ²）
Ｃ_p＝流量計の同じラインサイズに関して一定である圧力係数
である。

渦センサ信号のパワーとｒｍｓ振幅とを測定するために、次式によってサンプル信号ｘ（ｎ）を合計することによってパワーが算出される。

ここで、Ｎはサンプリングされたデータポイントの数であり、ｒｍｓ信号振幅は信号パワーの平方根から算出可能である。

特定の産業、特に例えば石油化学産業では、流動する流体は単一成分ではないことがある。例えば、流体は、大きな割合の炭化水素気体を含んだ炭化水素液体、または、その反対に、主要な成分が小滴の形の炭化水素液体を大きな割合で含む炭化水素気体である。

あるいは、流体は、この流体が液体または気体として存在可能な圧力、温度条件下で流動する単一成分の流体（例えば、エチレンまたはアンモニア）であってもよい。こうした場合のすべてにおいて、関連するプロセスまたは操作中に、体積流量または質量流量のみならず、個々の相の相対的な規模も確定することが必要条件である。他の分野、例えば、蒸気発生の分野では、蒸気の湿り度の観点からの蒸気の品質が、関連するプラントの操業効率に影響を与える重要な特徴となっている。

従来は、上述したように、センサからの信号における振幅、周期的な変動は、より純粋な信号を与えるために慎重に抑制される。然しながら、本出願人は、こうした変動の分析が流体の流れの状態に関する有益な情報をもたらすことが可能であるということを発見している。

従って、本発明の目的は、前記信号、変動を分析することによる二相流を監視する方法を提供することである。

本発明の別の目的は、第２の流体相の存在を検出する方法を提供することである。

本発明のさらに別の目的は、二成分流体の各成分の体積流量、または、単一成分の二相流の各相の相対的な大きさを与える、二相流を測定する方法を提供することである。

本発明の第１の特徴によれば、閉じた導管の中の流体の流れを監視する方法が提供される。この方法は、流体の流れの少なくとも１つの特徴を示す信号を生成する、監視されるべき流体が中を通って流れる流量計を配置し、信号成分を測定して、その信号成分に関連している変動を保持し、前記信号成分と変動とを分析することにより流体の流れの少なくとも１つの特徴を測定する。

本発明の第２の特徴によれば、閉じた導管の中の流体の流れにおける二相流を検出する方法が提供される。この方法は、流体の流れの少なくとも１つの特徴を示す信号を生成する、検出されるべき流体が中を通って流れる流量計を配置し、信号成分を測定して、その信号成分に関連している変動を保持し、前記信号成分と変動とを分析して二相流の有無を検出する。

本発明の第３の特徴によれば、閉じた導管の中の流体の流れを測定する方法が提供される。この方法は、流体の流れの少なくとも１つの特徴を示す信号を生成する、測定されるべき流体が中を通って流動する流体の流れ量計を配置し、信号成分を測定して、その信号成分に関連している変動を保持し、前記信号成分と変動とを分析して流体の流れの少なくとも１つの相の体積流量を測定する。流量計は渦流量計とすることが便利であり、渦流量計は、該流量計によって生成された信号を検出する手段として差圧タイプの手段とすることができる。渦流量計以外の流量計の使用が本発明の範囲内に含まれているということが理解されなければならない。

本出願人は、第２の流体相の存在が渦センサからの振動する信号に直接的に影響するということを見出している。第２の相が予想外である場合には測定誤りを生じさせる渦生成周波数を変更することに加えて、渦振動の振幅、これに関連した変動が、重い流体と軽い流体との混合に起因する全体的密度における変化から、または、速度の増大から予想される度合いに比べて、はるかに大きな度合いに変化する可能性がある。二相流によって生じさせられるあらゆる特定の渦生成周波数において、信号振幅と信号変動の強さとにおける変化が、存在する第２の相の量に依存しており、第２の相の存在の検出を可能にすることと、両方の相の流量の測定を同時に測定することとを可能にする。

本発明の方法は、さらに、信号パワーと、信号振幅（ｒｍｓ）と、渦流量計に関する渦生成周波数と、信号変動と、流量との間の関係を発見するために、流量計によって測定されるべき二相流を形成するように個々の成分が混合される前に、その個々の成分の流量を正確に確定するように基準流量計の使用によって流量計を校正する段階を含む。二相流測定のために、この流量計の校正は、単相流と二相流とに関する一定の範囲内の流量にわたって性能データを提供するためのテストプログラムの実行を含む。特に、二相流が、１つの明瞭な一次相と明瞭な二次相とを提供するという観点から、本出願人によって選択された。例えば、水が一次相で、かつ、二次相は空気だった。従って、基本的に、この校正は、気−液(gas-in-liquid)二相流に関して行われるが、然しながら、この校正が逆の相に関して行われることも可能であるということが理解されるだろう。

この校正は、単相流または二相流の存在を発見するための、単成分流における体積流量または二相流の両方の成分の体積流量を測定するための流量計の使用を可能にする体積流量測定を実現する、測定された信号特徴に関する図形データを与える。

一次相の中に二次相が存在することが流量測定信号の特徴の変化を生じさせるということが発見されている。従って、例えば、一定流量で流れる水に中に空気が供給される場合では、これが測定信号の特徴に変化を生じさせる。平均流速に関する示標である渦生成周波数は、センサ信号の振幅、パワーの減少に応じて増大し、この減少が、従来において、二相流における相分率(phase fraction)に関する重要な情報を提供する余剰として見なされてきた。

気−液(gas-in-liquid)二相流の構造と液−気(liquid-in-gas)二相流の構造とにおける２つの相の相対的な大きさが、特に渦流量計からのセンサ信号を条件付けることなく分析、処理することによって測定可能である。

本発明の方法が、上述した流れの構造外の流れの構造にも適用されてよく、従って、液体が混ざり合わない液−液(liquid-in-liquid)流れの構造、および、固体を含む液体または気体、および、三相流に適用可能であるということが想定されている。

以下、添付図面を参照して、単なる一例として、気−液(gas-in-liquid)二相流の２つの成分の体積流量を示す信号を生成するための渦流量計の使用を説明する。

図１は、気−水(gas-in-water)二相流を発生させるための実験室用試験装置の略図であり、配管５を備える流れループ４に水を供給するためのポンプ２を含む。ポンプ２は、流れを滑らかにする流量調整器６、次いで第１の基準流量計８を通して水を回路の配管内に供給する。流量計８の下流には、空気噴射点１０が配置されており、空気噴射点１０を通して空気が第２の基準流量計９を経由して水流の中に送り込まれてよい。

渦流量計１２が、回路４において空気噴射点１０の下流に配置されており、配管５がさらに延びて、最終的には、再循環のためのリザーバの中に放出する。

上述したように、渦流量計は、その動作に関して、流体の流れの方向に対して垂直に配置されている鈍頭物体の２つの端縁から交互に発生する渦に依存する（図１５参照）。渦生成周波数は流速に比例しており、典型的な渦流量計からの無条件センサ信号の周波数スペクトルが図２に示されている。その周波数のピークが渦生成周波数にある。

図７（一番上の曲線）と図１２（一番上の曲線）とに示すように、流量計１２が単相の液体に対して動作している時には、信号の振幅が渦生成周波数の２乗に従って増大する。この関係は、渦生成体(vortex shedding bar)を挟んで生じる圧力低下の直接の関数であり、ベルヌーイの式（上述されている）がその流量計の動作に当てはまるということを裏付ける。

一次相（水）の流量が一定に保たれる場合には、空気噴射点１０を通した二次相（例えば空気）の導入により、流動する流体の総体積が増大するために、渦生成周波数が上昇する。然しながら、このことは、さらに、図４に示すように、この二相混合物の平均密度がベルヌーイ式の密度ρに関して代入される場合に説明可能なものよりも、空気分率の増加に伴ってはるかに迅速に、渦センサ信号の振幅の低下を生じさせる。

一次相（水）の流量が特定の流量に一定に保たれる場合には、二次相（空気）の導入が渦生成周波数の増大を生じさせる。この結果が、５つの固定された一次相流量に関して、図５に示されている。各々のラインが、送入空気流量の固定値においてプロットされている。一番下のラインが単相水流に関するものである。

図６に示すように、単相流に対して動作する時には、センサ信号の相対振幅は、渦生成周波数の２乗に正比例している。二次相（空気）が供給されると、その信号の相対振幅が漸次的に低下する。従って、渦生成周波数を２つの相の体積流量、従って相対的大きさに相関させる一連の曲線をプロットすることが可能である。

一定の範囲内の二相流における渦センサのパワーと振幅とが図６、７にそれぞれに示されている。各々の曲線は、一次相（水）流量が、固定された二次相（空気）流量に関して変化させられる時の信号を示す。

二相構造にある個々の流れの相対的な大きさを測定するために、最初に流量計１２を校正しておかなければならず、流量計によって取り扱われるべき一次流体の単相流の範囲全体にわたってセンサ信号の振幅および渦生成周波数の測定、グラフ化が含まれる。次いで、この手順は、一定に保たれた一次流体の流量に関して繰り返されなければならないが、対象として取り扱われるべき範囲全体にわたって変化させられる二次流体の流量に関して繰り返される。図５、６、７はこうした校正の例である。

これに関連して、図５、６、７は、フォックスボロ社製８３Ｆ型渦流量計（（１．５インチ）Foxboro Model 83F Vortex Flowmeter）において３バールまでのライン圧力で行われた測定の結果を示す。図５の場合には、一次相（水）の流量は５つの互いに異なる値に一定に保持し、一方、二次相（空気）の流量を５つの互いに等しいステップでゼロから最大値に調整して渦生成周波数を測定した。図６の場合には、一次相の流量を５つの互いに異なる値に一定に保持し、二次相の流量を５つの互いに等しいステップでゼロから最大値に調整して信号パワーと渦生成周波数とを測定した。図７の場合には、一次相の流量を５つの互いに異なる値に一定に保持し、二次相の流量を５つの互いに等しいステップでゼロから最大値に調整して信号振幅と渦生成周波数とを測定した。これらのグラフに基づいて、校正された範囲内において任意の条件のセットに関してこの２つの相の流量を測定することが可能となる。こうして、渦生成周波数が例えば１００Ｈｚであり、かつ、信号振幅が約０．６４Ｖである場合には、図７のデータは、一次流体の流量が約２８０リットル／分であり、かつ、二次相の流量が約１０リットル／分であるということを示す。

渦生成周波数を質量流量に相関させる一連の曲線を、他のラインサイズの渦流量計のために用意することが可能であり、この一連の曲線から二相の相対的大きさが推定されることが可能であるということが明らかである。

異なる量の二次相が一次相の中に導入されたときに、渦センサ信号の大きさとパワーとにより測定信号が識別されるということは明らかである。図６、７は、観察可能な量（渦生成周波数と渦センサ信号の振幅およびパワー）と個々の相の流量（すなわち、一次相（水）の流量と二次相（空気）の流量）との間に示される系統的ではあるが非線形である関係を示し、理想的には流量計がこの関係を測定すべきである。多層ニューラルネットワークが複雑な非線形データに適合することが可能であり、従って、一次相流量と二次相流量との両方に関する適切な測定値を与えることが可能なシステムを生じさせるために観察可能なデータを取り扱う方法を提供する。

渦流量計からの４つの入力データ値がニューラルネットワークに対する入力として使用され、これらのデータは渦生成周波数と、信号パワーと、ｒｍｓ信号振幅と、ｒｍｓ信号振幅の平方根とである。ニューラルネットワークは、２つの出力値と一次相（水）流量と二次相（空気）流量とをその４つの入力値から生成するようにトレーニングされる。２つの別々の渦センサ信号セットが同一の条件を用いて収集される。トレーニングとテストの後のニューラルネットワークの出力が図８に示されており、その詳細なデータが表１に示されている。

２つの成分の流量を測定するためにトレーニングされたニューラルネットワークを使用することの代案として、分析的方法が、より物理的な基礎と共に使用されてよい。単相流体の流れに関する渦センサ信号の平均振幅（Ａ₀）が、体積流量の２乗に応じて増加し、すなわち、Ａ₀＝αＱ²であるということがすでに述べてられている。従って、ｒｍｓ振幅の平方根（Ｓ）が流体の流量Ｑに比例しているはずである。図１２は、集められた実験データに関してこのことを示している。一番上のプロットは単相水流だけに関するものであり、予想される通りに正確に直線である。図１２の他の曲線において示すように、二相流の存在下でさえ、Ｓと流量との間の線形関係は概ね真のままである。

渦生成周波数ｆと信号振幅の平方根Ｓとの両方が、二相流の場合にさえ流量に応じて概ね線形に変化するので、Ｓが概ねｆに応じて変化するだろう。これは二相流条件に関して図１３に示されており、この場合に、各ラインが、気体流量Ｇを一定に保ちながら液体流量Ｌが変化させられる時のｆに対するＳをグラフとして表す。これらの異なるラインは、互いに異なる気体流量Ｇの影響を示し、一番上のラインが、気体が存在しない場合の、すなわち、単相の液体流の場合に関して示されている。渦生成周波数ｆは、２つの相の組み合わされた体積流量（Ｌ＋Ｇ）に応じて線形に変化することが発見されている。上述したように、単相流の場合の渦生成周波数が流体速度に依存しており、流体の物理的属性には依存していないので、このことも予想された通りの結果である。

７９Ｈｚに近い渦生成周波数を生じさせる二相流組合せに関する垂直の黒い矢印によって示すように、単相液体流（一番上のライン）に関する信号強度に比較して、信号強度Ｓは、存在する第２の相の量に直接的に応じて減少させられるので、図１３は、二相流の測定の基礎を与える。その装置の校正のための手順と、二相流における両方の成分の流量を測定するためのこの手順の使用とを次で説明する。

１．二相流に関する校正
校正段階１
周波数と流量との間の線形関係から、渦生成周波数がその２つの相の合計体積流量に応じて線形に変化すると想定され、すなわち、
ｆ＝（Ｌ＋Ｇ）．ｘ₁＋ｘ₂ （６）
であり、ここでｆは渦生成周波数であり、Ｌは液体体積流量であり、Ｇは気体体積流量である。勾配ｘ₁と切片ｘ₂とを求めるために、その流量計が、図１１の一番下のプロットにおけるデータと、（ｆ，Ｌ）データポイントに対する最小自乗法によって求められたｘ₁、ｘ₂とから、単相液体流（Ｇ＝０）に関して校正される。

校正段階２
単相液体流の場合のＳとＬとの間の関係が次式の通りであると解釈される。
Ｓ₀＝ｙ₁＋Ｌ₀ｙ₂＋Ｌ₀₂ｙ₃ （７）

サフィックス０は、これが単相液体流に関する関係であることを強調するためにＳとＬとに加えられている。定数ｙ₁、ｙ₂、ｙ₃は、図１２における一番上のプロットからのデータと、（Ｓ₀，Ｌ₀）データポイントに対する最小自乗法とを使用する単相液体流に関する校正によって見出される。

校正段階３
図１３に示すように、第２の気体相の存在の影響が考慮される。（液体体積流量Ｌ、気体体積流量Ｇを含む）二相流条件の各々が、ｆおよびＳに関する値を与える。渦生成周波数ｆは、同じ渦生成周波数ｆを生じさせる単相液体流に関する値Ｌ₀を得るために使用される。この値Ｌ₀は、Ｇ＝０の場合の式（６）から発見され、すなわち、
Ｌ₀＝（ｆ−ｘ₂）／ｘ₁ （８）
である。
Ｓ₀に関する対応する値が（７）から得られ、すなわち、
Ｓ₀＝ｙ₁＋Ｌ₀ｙ₂＋Ｌ₀₂ｙ₃ （９）
である。

ポイント（ｆ，Ｓ₀）すべてが、図１３の一番上のラインである単相液体のライン上に位置している。これらのポイントは、異なる空気流量に関するそのプロット上に記録されている二相流ポイント（ｆ，Ｓ）の各々に関する図１３の一番上のライン上のポイント（○）としてプロットされている。

校正段階４
気体流が存在する場合には常に、渦信号の振幅が減少させられ、その結果として実際の実験用のポイント（ｆ，Ｓ）が、気体流量Ｇに依存する量だけ、図１３の単相水曲線の下方に位置することになる。この差（Ｓ₀−Ｓ）が、２０リットル／分の空気流に関する実験用の二相流ポイントに関する上方のポイント（ｆ，Ｓ₀）と下方のポイント（ｆ，Ｓ）との間の矢印によって示されている。
これらのポイントに関する信号差Ｓ_dはすべて測定され、
Ｓ_d＝（Ｓ₀−Ｓ） （１０）
である。（測定装置としての使用においては、Ｓ_dは気体流量Ｇを推定するために使用されるだろう。）

校正段階５
Ｓ_d値が、次の二次式関係を使用して二相流データにおける気体流量値Ｇに適合させられる。
Ｇ＝ｚ₂＋Ｓ_dｚ₃＋Ｓ_d2ｚ₄ （１１）
校正流量データからの実験用の対（Ｇ，Ｓ_d）が、最小自乗法によって定パラメータｚ₂、ｚ₃、ｚ₄を得るために使用される。

上述の校正手順は、二相流における流れ成分の両方の流量を測定するためにその流量計が使用されることを可能にするパラメータｘ₁、ｘ₂、ｙ₁、ｙ₂、ｙ₃、ｙ₄、ｚ₂、ｚ₃、ｚ₄を与える。

２．二相流の測定
セクション４における校正プロセスがパラメータｘ₁、ｘ₂、ｙ₁、ｙ₂、ｙ₃、ｙ₄、ｚ₂、ｚ₃、ｚ₄を与える。その次に、これらのパラメータに関する校正された値によって、その流量計は二相流における両方の流れ成分を測定することが可能である。渦生成周波数ｆと振幅Ａの平方根Ｓとを生じさせる特定の二相流の場合に、液体流量Ｌと気体流量Ｇは次にようにして得られることが可能である。

測定段階１
次式を使用してｆから単相液体流Ｌ₀を算出する。
Ｌ₀＝（ｆ−ｘ₂）／ｘ₁ （８）

測定段階２
次式を使用して単相液体流量Ｌ₀に関するルート（ｒｏｏｔ）振幅Ｓ₀を算出する。
Ｓ₀＝ｙ₁＋Ｌ₀ｙ₂＋Ｌ₀₂ｙ₃ （９）

測定段階３
次式を使用して信号差Ｓ_dを算出する。
Ｓ_d＝（Ｓ₀−Ｓ） （１０）

測定段階４
次式を使用して気体流量Ｇを推定する。
Ｇ＝ｚ₂＋Ｓ_dｚ₃＋Ｓ_d ²ｚ₄ （１１）

測定段階５
次式を使用して液体流量Ｌを推定する。
Ｌ＝Ｌ₀−Ｇ （１２）

こうして流量Ｌと流量Ｇの両方が発見される。下の図１４は、校正プロセスによって発見されたパラメータを使用して上述の測定プロセスによって推定された流量（○）に対して実際流量（●）を比較するグラフである。

特定の渦流量計の特徴が上記で使用された単純な線形の二次式に由来する場合には、より高次の多項式展開がより高い精度を得るために使用されてよいということが理解されるだろう。さらに、実際的な用途において遭遇する望ましくない流れ条件（例えば、振動、乱流状態、渦）に適合するために、試験を委託することの一部として校正されたパラメータ値が変更されることを可能にすることによって精度を最適化するために実験による実地調整が行われることを可能にすることが必要であることがある。

渦流量計からのセンサ信号は、さらに、第２の流体相の有無に関する非常に高感度の試験を生じさせるために、すなわち、「一次流体相に加えて二次流体相が存在するか？」という質問に答えるために分析されてもよい。

これは、単相流量計に関する有効な診断試験であり、第２の流体相の不在がユーザが読み取り値の精度を完全に信頼することができるということを意味する一方、第２の相が存在する時には精度の低下が想定されなければならないので、この単相流量計の精度は第２の流体相の存在によって著しく低下させられる可能性がある。

これに加えて、第２の相の存在は、監視されているシステム内のどこかの装置故障を表示する可能性があるので、第２の相の存在の検出は、１つの相だけが存在しているはずである場合には有益な診断測定である。

測定データは、振動する渦信号の波形の高周波数（例えば８ｋＨｚまで）サンプルを採取することから成る。このデータの周波数スペクトルが高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を行うことによって得られる場合には、図９は、第２の相の互いに異なる画分に関する気−水(gas-in-water)二相流流に関して取られたデータの周波数スペクトルのグラフを示す。このグラフは、パワースペクトルの対数である。第２の相の存在が渦信号の高周波数変動の強さを著しく増大させるということが明らかである。

パワースペクトルの対数の平均値が各グラフのポイントを加算して平均することによって算出される場合には、図１０は、一連の二相流の実験から結果的に得られる平均値のグラフを示す。水の流量が５つのステップで２００リットル／分から３０５リットル／分に増加させられる時に読み取り値が取られ、この読み取り値の各セットは、０、５、１０、１５、２０、２５リットル／分という６つのステップで空気流量が増大させられる形で繰り返された。各ラインが固定空気流量に対応し、水流量を変化させることの影響を示す。

一番下のライン（ゼロ空気流）にプロットされている単相流に関する平均対数パワー値が、空気が存在する時の二相流の場合（上方の曲線）に比べて著しく低い位置にあり、従って、パワースペクトルの対数の平均値の増加が第２の相の存在の高感度の試験を実現するということが、図１０において理解される。渦生成周波数が流量に比例しているので、パワースペクトルの対数が渦生成周波数に対してプロットされる場合には、非常に類似したグラフが生じさせられる。その次に、各渦生成周波数における単相流に関する校正データから得られるレベルよりも高く設定されている閾値を上回るノイズの増大が、第２の流体相の存在を示す。

渦流量計を挟んだ上流から下流への圧力低下を測定する差圧センサが、前のパラグラフに説明されている方法と同じ方法で第２の流体相の存在を検出するための、渦信号自体に対する別の信号源として使用されてもよい。

こうして、本発明は、流体の流れの状態に関する表示、すなわち、単相流または二相流が存在するかどうかに関する表示としてセンサ信号の振幅およびノイズの変動を使用することによって、流体の流れを特徴付けるための方法を提供する。本発明は、信号の変動を放棄することを求める流量測定における従来のアプローチからの明確な離脱を表し、本出願人は、ノイズの中に含まれている情報に付随する重要性を理解している。

気−水(air-in-water)二相流を発生させるための装置の略図である。 渦生成周波数におけるピークを伴う、渦流量計からのセンサ信号の典型的なパワースペクトルを示す。 単相流に関する渦流量計に関する液体流量のパワースペクトルの変動を示す。 二次相（空気）の導入の結果として生じる渦センサ信号の振幅、周波数の変化を示す。 二次相（空気）の導入の結果として生じる一次相（水）の流量に関する渦生成周波数の変化を示す。 一次相（水）の流量と二次相（空気）の導入とに関する渦センサ信号のパワーにおける変化を示す。 二次相（空気）の異なる流量に関する一次相（水）の流量に関する渦センサ信号のｒｍｓ振幅の変化を示す。 ニューラルネットワークからの出力を表す。 第２の相（空気）の流量の６つの異なる値に関する、一定の水流量において周波数に対してプロットされた渦流量計からの一次信号のパワースペクトルの対数を示す。空気の存在が高周波数におけるノイズを増大させる。 異なる送入空気流量に関する、流体の流れ量に対してプロットされた０−４ｋＨｚの周波数範囲全体にわたっての渦信号の対数パワースペクトルの平均値を示す。 異なる送入空気流量に関する、液体流量に対してプロットされた渦生成周波数を示す。 異なる送入空気流に関する、液体流量に対する渦信号振幅の平方根のグラフを示す。 異なる二相流量に関する、渦生成周波数に対してプロットされた渦信号振幅の平方根を示す。垂直の矢印が、第２の相（空気）の存在によって生じさせられる平方根振幅の変化を示すために使用されている。 渦流量計に関する校正されたパラメータを使用して推定された流量（○）に対する実際流量（●）の比較である。 円筒形のブラフボディを表し、かつ、レイノルド数の３つの値グループによって表されている流量における流体の流れの最中に発生させられた渦を示す図である。

符号の説明

２ ポンプ
４ 流れループ
５ 配管
６ 流量調整器
８ 第１の基準流量計
９ 第２の基準流量計
１０ 空気噴射点
１２ 渦流量計

Claims (17)

1. 流体の流れの少なくとも１つの特徴を示す信号を生成する流量計（１２）を配設し、該流量計内に監視すべき流体を流通させ、閉じた導管（５）内を流通する流体の流れを監視する方法において、
   前記信号の成分を測定して、これに関連した変動を保持し、前記信号成分と前記変動とを分析して前記流体の流れの前記少なくとも１つの特徴を測定することを含むことを特徴とする流体の流れを監視する方法。
2. 流体の流れの少なくとも１つの特徴を示す信号を生成する流量計を配設し、該流量計内に検出すべき流体を流通させ、前記導管内を流通する二相流を検出するための請求項１に記載の監視方法において、
   前記信号の成分を測定して、これに関連した変動を保持し、前記信号成分と前記変動とを分析して二相流の不存在を検出することを含むことを特徴とする監視方法。
3. 流体の流れの少なくとも１つの特徴を示す信号を生成する渦流量計を配設し、該流量計内に検出すべき流体を流通させ、前記導管内を流通する検出すべき二相流を検出するための請求項１または２に記載の監視方法において、
   単相流に関して振動する渦信号の波形の高周波数サンプルを採取し、これに関連した変動を保持し、高速フーリエ変換を行うことによって周波数スペクトルを得て、前記スペクトル値の対数を算出し、対数スペクトル値の平均値を算出して単相流体の流れに関するデータを提供し、次いで、二相流からの振動する渦信号の波形の高周波数サンプルを採取して、これに関連した変動を保持し、高速フーリエ変換を行うことによって周波数スペクトルを得て、前記スペクトル値の対数を算出し、前記対数スペクトル値の平均値を算出して二相流に関するデータを提供し、前記二相流の有無を検出するために単相流に関するデータに対して前記対数平均値を比較することを含むことを特徴とする監視方法。
4. 流体の流れの少なくとも１つの特徴を示す信号を生成する流量計を配設し、該流量計内に測定すべき流体を流通させ、前記導管内を流通する流体の流れを測定するための請求項１に記載の監視方法において、
   前記信号の成分を測定して、これに関連した変動を保持し、前記信号成分と前記変動とを分析して前記流体の流れの体積流量を測定することを含むことを特徴とする流体の流れを監視する方法。
5. 前記流量計は渦流量計であることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の方法。
6. 前記センサ信号の周波数成分と振幅成分とを測定することによって、前記渦流量計によって生成される渦が検出されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 第１の基準流量計（８）を使用して液体の流量を測定し、第２の基準流量計（９）を使用して気体の流量を測定し、以って、信号の振幅成分と、前記渦流量計（１２）内で発生した渦の生成周波数と、前記２つの成分の流量との間の関係を決定し、前記流量計（１２）を校正する段階を含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 前記校正は、単相流と二相流とに関する一定の範囲内の流量にわたっての性能データを提供するために一連の試験を行うことを含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 性能データを処理して一次相流、二次相流に関する測定値を提供する方法として、多層ニューラルネットワークを使用することを特徴とする請求項７または８に記載の方法。
10. 分析的方法を用いて前記性能データを処理して一次相流、二次相流の測定値を提供することを特徴とする請求項７または８に記載の方法。
11. 前記校正は気−液(gas-in-liquid)二相流に関して行われることを特徴とする請求項８に記載の方法。
12. 前記校正は、液−気(liquid-in-gas)二相流に関して行われることを特徴とする請求項８に記載の方法。
13. 水が一定流量で流れており、空気が所定位置（１０）から供給されることにより平均流速が増加し、該平均流速の増加それ自体が二次流体相の存在を示していることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
14. 平均流速の増加によって引き起こされる前記渦生成周波数の増大に伴い、前記センサ信号の前記渦生成周波数成分の振幅が減少することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
15. 二次相の存在に関する決定因子として前記振幅の減少を用いることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
16. 前記渦流量計からの前記センサ信号の分析と操作とによって、前記２つの相の相対的な大きさが決定されることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
17. 流体の流れの少なくとも１つの特徴を示す信号を生成する流量計を配設し、該流量計内に検出すべき流体を流通させ、前記導管内を流通する検出すべき二相流を検出するための請求項１または２に記載の監視方法において、
    前記渦流量計を挟んだ上流から下流の差圧から圧力変動を測定して変動信号を生成し、前記差圧信号または圧力信号の波形の高周波数サンプルを採取して、これに関連した単相流体の流れに関する変動を保持し、前記信号の高速フーリエ変換を行うことによって周波数スペクトルを得て、前記スペクトル値の対数を算出し、前記対数スペクトル値の平均値を算出して単相流体の流れに関するデータを提供し、次いで、二相流対流からの前記差圧信号または圧力信号の前記波形の高周波数サンプルを採取して、これに関連した変動を保持し、高速フーリエ変換を行うことによって周波数スペクトルを得て、スペクトル値の対数を算出し、前記対数スペクトル値の平均値を算出し、二相流の有無を検出するために単相流に関する前記データに対して前記対数平均値を比較することとを含むことを特徴とする監視方法。

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