JP2006226703A - Measuring method and device of multiphase flowing state of optically transparent fluid having different refractive index utilizing optical fiber - Google Patents

Measuring method and device of multiphase flowing state of optically transparent fluid having different refractive index utilizing optical fiber Download PDF

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JP2006226703A
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JP2005037501A
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Inventor
Akihiro Sakamoto
明洋 坂本
Yoshiaki Takeishi
芳明 武石
Takayuki Saito
隆之 齋藤
Original Assignee
Sumitomo Metal Ind Ltd
住友金属工業株式会社
National Univ Corp Shizuoka Univ
国立大学法人静岡大学
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a measuring method and a device therefor capable of grasping highly accurately information on the multiphase flowing state of optically transparent fluids having different refractive indexes from a measured signal acquired from an optical fiber probe. <P>SOLUTION: This device is equipped with an optical fiber having an end face inclined with respect to the axial core direction; a light source for allowing light to enter the optical fiber from the end face on the opposite side to the inclined end face; a photodetector for detecting light reflected by the inclined end face in the light, and converting the light into an electric signal; and an operation device capable of performing at least each processing for dividing the electric signal according to a prescribed time, determining a histogram relative to a detection output in each division, extracting detection outputs corresponding to the maximum frequency and the quasi-maximum frequency, deriving a threshold from the extracted detection outputs, comparing the threshold with a detection output value at each point of time, and thereby determining which of two phases is in contact with the inclined end. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、屈折率の異なる光透過性流体の混相流動状態を計測する計測装置に関する。   The present invention relates to a measuring device that measures a multiphase flow state of light-transmitting fluids having different refractive indexes.
屈折率の異なる光透過性流体(以下「二相」と記す)、例えば気体および液体および/または微小固体の混在する流動現象を有する産業機器あるいは配管の内外部の流動状態を計測する手法として超音波式気泡検出装置、中性子ラジオグラフィ、電極プローブ法、PIV法等が知られているが、いずれも気泡あるいは液滴の径、運動速度、およびホールドアップの同時計測が困難であったり計測コストが高価であったりする問題がある。以下では説明の簡略化のため二相のうち一方を気体、他方を液体として説明する。   Ultra-light transmission fluid with different refractive index (hereinafter referred to as “two-phase”), for example, an industrial device having a flow phenomenon in which gas and liquid and / or micro solids are mixed Sound wave type bubble detector, neutron radiography, electrode probe method, PIV method, etc. are known, but all of them are difficult to measure the bubble or droplet diameter, movement speed, and hold-up at the same time, and the measurement cost is low. There is a problem that it is expensive. Hereinafter, for simplification of description, one of the two phases will be described as gas and the other as liquid.
かかる問題を解決し、二相流動状態を計測する方法として、光ファイバープローブによる気泡の計測方法、及びその装置が特許文献1及び非特許文献1により開示されている。
特開2000−136962号公報 CHEN W, TSUTSUMI A, OTAWARA K, SHIGAKI Y, Can J Chem Eng, VOL. 81 NO. 6; PAGE. 1139-1148; (2003/12)「異なるスケールの気泡塔での局所気泡動力学と巨視的流れ構造」
As a method for solving such a problem and measuring a two-phase flow state, Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 disclose a bubble measuring method using an optical fiber probe and an apparatus therefor.
JP 2000-136962 A CHEN W, TSUTSUMI A, OTAWARA K, SHIGAKI Y, Can J Chem Eng, VOL. 81 NO. 6; PAGE. 1139-1148; (2003/12) `` Local bubble dynamics and macroscopicity in bubble towers of different scales Flow structure "
しかし、非特許文献1に開示されている方法、及び装置によると、光ファイバーの先端に気泡があたったときに、気泡の移動速度が減速して、正確な測定が困難であるという問題があった。特許文献1は、この点を光ファイバーの先端に傾斜を形成することにより解決しているが、検出された信号をどのように処理して正確な測定データが得られるかについては開示がない。   However, according to the method and apparatus disclosed in Non-Patent Document 1, when a bubble hits the tip of an optical fiber, there is a problem that the movement speed of the bubble is reduced and accurate measurement is difficult. . Patent Document 1 solves this problem by forming an inclination at the tip of the optical fiber, but there is no disclosure as to how the detected signal is processed to obtain accurate measurement data.
そこで本発明は、光ファイバープローブにより得られた計測信号から、気泡群または液滴群および/または気液界面運動に関する情報を高精度に把握することが可能な測定方法及びその装置を提供することを課題とする。   Accordingly, the present invention provides a measurement method and apparatus capable of accurately grasping information regarding bubble group or droplet group and / or gas-liquid interface motion from a measurement signal obtained by an optical fiber probe. Let it be an issue.
本発明者らは、光ファイバープローブにより得られた計測信号の所定時間内における最大値及び最小値を抽出するとともに、これら最大値/最小値から所定の閾値を導出して、この閾値と各時点における計測値とを比較することにより、精度良く気液界面運動に関する情報を得ることができることを見出した。また、計測信号にスパイク状の大きなノイズが入る場合には、計測値のヒストグラムを作成するとともに、最大頻度、及び準最大頻度に対応する計測値から所定の閾値を導出して、この閾値と各時点における計測値とを比較することにより、気液界面運動に関する情報を高精度に把握することが可能であることを見出した。   The present inventors extract the maximum value and the minimum value within a predetermined time of the measurement signal obtained by the optical fiber probe, derive a predetermined threshold value from these maximum value / minimum value, and this threshold value and each time point By comparing the measured values, it has been found that information on gas-liquid interface motion can be obtained with high accuracy. In addition, when spiked large noise enters the measurement signal, a histogram of the measurement value is created, and a predetermined threshold value is derived from the measurement value corresponding to the maximum frequency and the quasi-maximum frequency. It was found that the information about the gas-liquid interface motion can be grasped with high accuracy by comparing the measured values at the time.
以下、本発明について説明する。なお、本発明の理解を容易にするために添付図面の参照符号を括弧書きにて付記するが、それにより本発明が図示の形態に限定されるものではない。   The present invention will be described below. In order to facilitate understanding of the present invention, reference numerals in the accompanying drawings are appended in parentheses, but the present invention is not limited to the illustrated embodiment.
請求項1に記載の発明は、光透過性を有し、かつ異なる屈折率を備えた二相の、相間界面移動速度、一方の相の径、及び、一方の相と他方の相との体積率を、同時に計測しうる方法であって、軸芯方向に対して傾斜する端面を有する光ファイバーを、該端面を二相の移動する方向の上流側に向けて配置する工程と、傾斜する端面とは反対側の端面から光ファイバー内に光を入射する工程と、光のうち傾斜する端面で反射された光を反対側の端面から検出して電気信号に変換して蓄積する工程と、電気信号を所定の時間ごとにその最大値及び最小値を抽出するとともに、該最大値、及び最小値から閾値を導出して、該閾値と各時点における検出出力値とを比較することにより、傾斜する端部が二相のいずれに接しているかを判定する工程とを含む計測方法である。   According to the first aspect of the present invention, there are two phases having optical transparency and different refractive indexes, the interphase interface moving speed, the diameter of one phase, and the volume between one phase and the other phase. A method of measuring the rate at the same time, the step of disposing an optical fiber having an end face inclined with respect to the axial direction toward the upstream side in the direction in which the two phases move; and an inclined end face; Includes a step of entering light into the optical fiber from the opposite end surface, a step of detecting light reflected from the inclined end surface of the light from the opposite end surface, converting it to an electrical signal, and storing the electrical signal. The maximum and minimum values are extracted every predetermined time, and a threshold value is derived from the maximum value and the minimum value, and the threshold value is compared with the detected output value at each time point, thereby inclining end portions. Determining which of the two phases is in contact with It is a measurement method.
請求項2に記載の発明は、光透過性を有し、かつ異なる屈折率を備えた二相の、相間界面移動速度、一方の相の径、及び、一方の相と他方の相との体積率を、同時に計測しうる方法であって、軸芯方向に対して傾斜する端面を有する光ファイバーを、該端面を二相の移動する方向の上流側に向けて配置する工程と、傾斜する端面とは反対側の端面から光ファイバー内に光を入射する工程と、光のうち傾斜する端面で反射された光を反対側の端面から検出して電気信号に変換して蓄積する工程と、電気信号を所定の時間に区分して、その区分内の検出出力に関するヒストグラムを求め、その最大頻度及び準最大頻度に対応する検出出力を抽出するとともに、これらの検出出力から閾値を導出して、該閾値と各時点における検出出力値と比較することにより傾斜する端部が二相のいずれに接しているかを判定する工程と、を含む計測方法である。   The invention according to claim 2 is a light-transmitting and two-phase interfacial moving speed, a diameter of one phase, and a volume between one phase and the other phase having different refractive indexes. A method of measuring the rate at the same time, the step of disposing an optical fiber having an end face inclined with respect to the axial direction toward the upstream side in the direction in which the two phases move; and an inclined end face; Includes a step of entering light into the optical fiber from the opposite end surface, a step of detecting light reflected from the inclined end surface of the light from the opposite end surface, converting it to an electrical signal, and storing the electrical signal; Dividing into predetermined times, obtaining a histogram relating to the detection output in the division, extracting detection outputs corresponding to the maximum frequency and sub-maximum frequency, and deriving a threshold value from these detection outputs, Compare with the detected output value at each time point A step of determining whether an end portion inclined is in contact with any of the two phases by that the measurement method comprising.
請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の計測方法において、二相は、気相と液相とであることを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in the measurement method according to the first or second aspect, the two phases are a gas phase and a liquid phase.
請求項4に記載の発明は、液相と気相とがなす、相間界面移動速度、一方の相の径、及び、一方の相と他方の相との体積率を同時に計測しうる計測装置であって、軸芯方向に対して傾斜する端面を有する光ファイバーと、傾斜する端面とは反対側の端面から光ファイバー内に光を入射する光源と、光のうち傾斜する端面で反射された光を反対側の端面から検出して電気信号に変換する光検出器と、電気信号を所定の時間に区分して、その区分内の検出出力に関するヒストグラムを求め、その最大頻度及び準最大頻度に対応する検出出力を抽出するとともに、これら抽出された検出出力から閾値を導出して、該閾値と各時点における検出出力値とを比較することにより傾斜する端部が二相のいずれに接しているかを判定する処理を少なくとも行い得る演算装置と、を備えた計測装置である。   The invention according to claim 4 is a measuring device that can simultaneously measure the interphase interface moving speed formed by the liquid phase and the gas phase, the diameter of one phase, and the volume ratio of one phase and the other phase. An optical fiber having an end surface inclined with respect to the axial direction, a light source that enters light into the optical fiber from an end surface opposite to the inclined end surface, and light reflected by the inclined end surface of the light are opposite to each other. A detector that detects from the end face on the side and converts it into an electrical signal, and divides the electrical signal into predetermined times, obtains a histogram related to the detection output in that category, and detects corresponding to the maximum frequency and sub-maximum frequency Extracting the output and deriving a threshold value from the extracted detection output, and comparing the threshold value with the detection output value at each time point, it is determined which of the two phases is in contact with the inclined end. At least line processing An arithmetic unit for obtaining a measurement device provided with.
本発明によれば、光ファイバープローブにより得られた計測信号から、気泡群または液滴群および/または気液界面運動に関する情報を高精度に把握することができる。本発明のこのような作用及び利得は、次に説明する発明を実施するための最良の形態から明らかにされる。   According to the present invention, it is possible to grasp information regarding bubble group or droplet group and / or gas-liquid interface motion with high accuracy from a measurement signal obtained by an optical fiber probe. Such an operation and gain of the present invention will be made clear from the best mode for carrying out the invention described below.
以下本発明を図面に示す実施形態に基づき説明する。   Hereinafter, the present invention will be described based on embodiments shown in the drawings.
本発明が提供する二相流動状態計測装置の基本構成を図1に示す。二相流動状態計測装置20は、光ファイバー1、光ファイバー1の一方の端面側に形成された検出端2、検出端2の他端側に配置された分光端3、光ファイバー1内に分光端3側から光を入射する光源4、光ファイバー1内に入射された光のうち検出端2で反射されて分光端3に至った光を検出する光検出器5、光検出器5により検出されたデータを取得するデータ取得装置6、及び該データを演算して、検出端2が気相にあるか、液相にあるかを判断するデータ演算装置7を含む。構成要素の一部または全部は単体または複数の筐体に収められ、それぞれの構成要素は光学的または電気的手段で直接的、又は間接的に接続される。検出端2を被計測対象内に挿入することで計測を実施する。以下においては、液相が水相である場合について説明する。   A basic configuration of a two-phase flow state measuring apparatus provided by the present invention is shown in FIG. The two-phase flow state measuring device 20 includes an optical fiber 1, a detection end 2 formed on one end face side of the optical fiber 1, a spectroscopic end 3 disposed on the other end side of the detection end 2, and a spectroscopic end 3 side in the optical fiber 1. The light source 4 that enters the light from the light source, the light detector 5 that detects the light that has entered the optical fiber 1 and is reflected by the detection end 2 and reaches the spectroscopic end 3, and the data detected by the light detector 5 A data acquisition device 6 to be acquired and a data calculation device 7 for calculating the data and determining whether the detection end 2 is in a gas phase or a liquid phase are included. Part or all of the components are housed in a single or a plurality of cases, and each component is connected directly or indirectly by optical or electrical means. Measurement is performed by inserting the detection end 2 into the measurement target. Below, the case where a liquid phase is an aqueous phase is demonstrated.
光ファイバー(以下においては単に「ファイバー」ということがある。)1の検出端2は図1に示されているように、ファイバーの軸芯に対して傾斜を有している。   As shown in FIG. 1, the detection end 2 of the optical fiber (hereinafter sometimes simply referred to as “fiber”) 1 has an inclination with respect to the axis of the fiber.
光源4からファイバー内に導入された光は検出端2まで到達する。検出端2では、スネルの法則により、光の一部はファイバーの外部に放射され、残りの光は検出端2において全反射されてファイバー内部に戻り、分光端3に達する。その戻り光量を光検出器5で測定する。   The light introduced from the light source 4 into the fiber reaches the detection end 2. At the detection end 2, according to Snell's law, a part of the light is emitted to the outside of the fiber, and the remaining light is totally reflected at the detection end 2 and returns to the inside of the fiber to reach the spectral end 3. The amount of returned light is measured by the photodetector 5.
検出端2が水相(液相)内にある場合は、ファイバーと水の屈折率がほぼ等しいため光の大部分は水相に放射され、ファイバー内へ反射されて戻る光は僅かである。一方検出端2が気相内にある場合は、ファイバーと水の屈折率が大きく違うため大部分の光がファイバー内に反射され、戻り光量が増加する。この光量変化を光検出器5で時系列計測することにより検出端2が挿入されている被計測点の気相/液相状態を知ることができる。   When the detection end 2 is in the aqueous phase (liquid phase), most of the light is radiated to the aqueous phase because the refractive indices of the fiber and water are almost equal, and the light reflected back into the fiber is small. On the other hand, when the detection end 2 is in the gas phase, the refractive index of the fiber and water are greatly different, so that most of the light is reflected in the fiber and the amount of return light increases. By measuring the change in the amount of light with the light detector 5 in time series, the gas phase / liquid phase state of the measurement point where the detection end 2 is inserted can be known.
単一気泡が検出端2に衝突した際に光検出器5で測定される信号の例を図2に示す。信号レベルが鋭く立ち上がっている時刻が気泡衝突時刻、下がっている時刻が気泡離脱時刻であり、この間は検出端2が気相に曝されていると判定される。検出端2が気相に曝されている合計時間を総計測時間で除することにより、検出端2が挿入されている被計測点の気液混合状態における気相の体積率(以下において「ホールドアップ」という。)を知ることができる。   An example of a signal measured by the photodetector 5 when a single bubble collides with the detection end 2 is shown in FIG. The time when the signal level rises sharply is the bubble collision time, and the time when the signal level falls is the bubble separation time. During this time, it is determined that the detection end 2 is exposed to the gas phase. By dividing the total time during which the detection end 2 is exposed to the gas phase by the total measurement time, the volume ratio of the gas phase in the gas-liquid mixed state at the measurement point where the detection end 2 is inserted (hereinafter referred to as “hold”). You can know "up".)
さらに検出端2を含む光ファイバー1を二本以上使用することにより、前記ホールドアップに加え、気泡の速度と径も計測可能となる。例として検出端2の位置を少しずらした状態で2本のプローブを構成した場合に光検出器5で測定される信号の波形を図3に示す。検出端位置のずれにより、それぞれのプローブの立ち上がり時刻に差が生じている。先端位置のずれ長さを該時刻差で除することにより、気液界面速度が判明する。気液界面速度は気泡速度と強い相関がある。また一方のプローブが気相状態にある時間差に該気泡速度を乗じることにより、気泡の通過弦長が判明する。通過弦長は気泡径と強い相関がある。液滴を計測する際は、信号波形のうち山と谷の扱いを逆にすれば良い。   Furthermore, by using two or more optical fibers 1 including the detection end 2, in addition to the hold-up, the bubble speed and diameter can be measured. As an example, FIG. 3 shows a waveform of a signal measured by the photodetector 5 when two probes are configured with the position of the detection end 2 slightly shifted. Due to the displacement of the detection end position, there is a difference in the rise time of each probe. The gas-liquid interface velocity is determined by dividing the deviation length of the tip position by the time difference. The gas-liquid interface velocity has a strong correlation with the bubble velocity. Further, by multiplying the time difference in which one probe is in a gas phase state by the bubble velocity, the passage chord length of the bubble is determined. The passing chord length has a strong correlation with the bubble diameter. When measuring a droplet, the treatment of peaks and valleys in the signal waveform may be reversed.
光ファイバー1の材質は計測対象の圧力、密度、温度、流動状態、光学的特性、化学的特性に応じて任意に選択可能である。例えばプラスチック、ガラス、サファイヤ等である。また光ファイバー1の途中に1つまたは複数の光学コネクタを含んでいても良い。   The material of the optical fiber 1 can be arbitrarily selected according to the pressure, density, temperature, flow state, optical characteristics, and chemical characteristics of the measurement target. For example, plastic, glass, sapphire and the like. One or more optical connectors may be included in the middle of the optical fiber 1.
光ファイバー1の外径は、計測対象に気泡が含まれる場合、好ましくは平均気泡径の0.1〜2倍、さらに好ましくは0.2〜1倍である。スラグ流など気泡を含まない気液二相流を計測する際のファイバー径は、好ましくは0.05〜2.0mm、さらに好ましくは0.1〜1.0mmである。   When the measurement object includes bubbles, the outer diameter of the optical fiber 1 is preferably 0.1 to 2 times, more preferably 0.2 to 1 times the average bubble diameter. The fiber diameter when measuring a gas-liquid two-phase flow that does not include bubbles such as a slag flow is preferably 0.05 to 2.0 mm, more preferably 0.1 to 1.0 mm.
検出端2の端面は、前記したようにファイバー軸に傾斜するように形成されている特徴を有する。検出端2をファイバー軸に対し垂直に切断した形状のセンサーとして、前記非特許文献1等に記載されているものが知られているが、そのような形状では気泡衝突時に気泡速度を減速しやすく、計測誤差が大きくなるという問題がある。   As described above, the end surface of the detection end 2 has a characteristic that it is formed so as to be inclined to the fiber axis. As a sensor having a shape in which the detection end 2 is cut perpendicularly to the fiber axis, a sensor described in Non-Patent Document 1 or the like is known, but in such a shape, it is easy to reduce the bubble velocity at the time of bubble collision. There is a problem that the measurement error becomes large.
検出端2の端面とファイバー軸のなす角度は、好ましくは5〜45°、さらに好ましくは20〜30°である。該角度が45°を上回ると気泡衝突時の気泡速度の減速効果が大きくなるため計測精度が低下し、また5°を下回ると該端面が脆弱で折れやすくなってしまう。   The angle formed between the end face of the detection end 2 and the fiber axis is preferably 5 to 45 °, more preferably 20 to 30 °. If the angle exceeds 45 °, the effect of decelerating the bubble velocity at the time of bubble collision is increased, so that the measurement accuracy is lowered. If the angle is less than 5 °, the end face is fragile and easily broken.
分光端3の構成方法としては、光源4から入射された光の一部または全部が検出端2まで到達し、かつ検出端2からの戻り光の一部または全部が光検出器5まで到達できる構造であれば特に限定されない。例えば特許文献1で開示されている方法や、ハーフミラー法などを採用することが可能である。   As a configuration method of the spectroscopic end 3, a part or all of the light incident from the light source 4 reaches the detection end 2, and a part or all of the return light from the detection end 2 can reach the photodetector 5. If it is a structure, it will not specifically limit. For example, a method disclosed in Patent Document 1, a half mirror method, or the like can be employed.
光源4は、検出端2の周辺の光強度に比べ十分明るい光源で有れば任意の光源を選択できる。例えばハロゲンランプやレーザダイオード等を挙げることができる。   As the light source 4, an arbitrary light source can be selected as long as it is a light source sufficiently brighter than the light intensity around the detection end 2. Examples thereof include a halogen lamp and a laser diode.
光検出器5は、検出端2からの反射光の光量変化を十分な時間解像度で計測できる能力を有していれば任意の装置を選択可能である。例えば光電子増倍管やフォトダイオード等を挙げることができる。   The photodetector 5 can select any device as long as it has the ability to measure the change in the amount of reflected light from the detection end 2 with sufficient time resolution. Examples thereof include a photomultiplier tube and a photodiode.
データ取得装置6は、光検出器5からの信号データを十分な速度でサンプリングできる能力を有していれば任意の装置を選択可能である。サンプリング速度は1kHz以上あれば十分である。さらに好ましくは10kHz以上である。例えばパーソナルコンピュータに設置可能なA/D変換カードや汎用データロガなどが使用可能である。データ取得装置6は、必ずしもデータ保存能力を有する必要はないが、有していても良い。   The data acquisition device 6 can select any device as long as it has the ability to sample the signal data from the photodetector 5 at a sufficient speed. A sampling rate of 1 kHz or more is sufficient. More preferably, it is 10 kHz or more. For example, an A / D conversion card or a general-purpose data logger that can be installed in a personal computer can be used. The data acquisition device 6 does not necessarily have a data storage capability, but may have it.
データ演算装置7は、データ取得装置6で取得された信号データから気泡運動状態を推定するアルゴリズムを含んだソフトウェアを内包していれば任意の装置を選択可能である。例えばパーソナルコンピュータやデータ処理専用ハードウェアなどを使用することができる。データ演算装置7も、必ずしもデータ保存能力を有する必要はないが、有していることが望ましい。   The data calculation device 7 can select any device as long as it includes software including an algorithm for estimating the bubble motion state from the signal data acquired by the data acquisition device 6. For example, a personal computer or data processing dedicated hardware can be used. The data arithmetic unit 7 is not necessarily required to have the data storage capability, but it is desirable to have it.
(第一実施形態)
さて、データ演算装置7において気泡衝突時刻および気泡離脱時刻を自動判別する第一実施形態にかかるアルゴリズム(以下において「アルゴリズムA」という。)を図4および下記に示す。
(First embodiment)
Now, an algorithm (hereinafter referred to as “algorithm A”) according to the first embodiment for automatically determining the bubble collision time and the bubble separation time in the data calculation device 7 is shown in FIG. 4 and the following.
<アルゴリズムA>
(A1)データ取得装置6から受信したデータの最大値と最小値を抽出し、それぞれVMax、VMinとする。
(A2)VMaxとVMinとの間に閾値を1つまたは2つ設定し、それぞれV、V、とする。ただし
Max>V≧V>VMin
である。
(A3)V以上の信号を抽出し、その平均値をVGasとする。
(A4)V以下の信号を抽出し、その平均値をVLiquidとする。
(A5)VGasとVLiquidの間に閾値を2つ設定し、それぞれV、Vとする。ただし
Gas>V≧V>VLiquid
である。
<Algorithm A>
(A1) The maximum value and the minimum value of the data received from the data acquisition device 6 are extracted and set as V Max and V Min , respectively.
(A2) One or two threshold values are set between V Max and V Min to be V 1 and V 2 , respectively. However, V Max > V 1 ≧ V 2 > V Min
It is.
(A3) extracting V 1 or more signals, and the average value V Gas.
(A4) V 2 extracts the following signals, and the average value V Liquid.
(A5) Two threshold values are set between V Gas and V Liquid , and are set as V 3 and V 4 , respectively. However, V Gas > V 3 ≧ V 4 > V Liquid
It is.
光検出器からの出力値がVを上回った場合は検出端2が気相状態にあると判定する。光検出器からの出力値がVを下回った場合は検出端2が液相状態にあると判定する。 Determines that when the output value from the light detector exceeds the V 3 is the detection end 2 is in the gas phase. Determines that when the output value from the light detector falls below the V 4 is the detection end 2 is in the liquid phase.
、V、V、Vの計算式として、第一実施形態においては次式が使用される。
=VMin+α(VMax−VMin) (1)
=VMin+α(VMax−VMin) (2)
=VLiquid+α(VGas−VLiquid) (3)
=VLiquid+α(VGas−VLiquid) (4)
As the calculation formulas for V 1 , V 2 , V 3 , and V 4 , the following formula is used in the first embodiment.
V 1 = V Min + α 1 (V Max −V Min ) (1)
V 2 = V Min + α 2 (V Max −V Min ) (2)
V 3 = V Liquid + α 3 (V Gas −V Liquid ) (3)
V 4 = V Liquid + α 4 (V Gas −V Liquid ) (4)
ここでα、α、α、αは二相流動状態計測装置のチューニングパラメータである。
α=0.005〜0.5、
αはαの1〜5倍かつVがVMaxを超えない範囲、
α=0.01〜0.9、
αはαの1〜5倍かつVがVGasを超えない範囲である。
Here, α 1 , α 2 , α 3 , and α 4 are tuning parameters of the two-phase flow state measuring device.
α 1 = 0.005 to 0.5,
α 2 is 1 to 5 times α 1 and V 2 does not exceed V Max ,
α 3 = 0.01 to 0.9,
α 4 is 1 to 5 times α 3 and V 4 does not exceed V Gas .
(第二実施形態)
上記パラメータ群は計測前に設定する必要があるが、第一実施形態による方式では適当な値を事前に決定することが困難であるという問題がある。特にαとαの値の予測が困難である。この理由を次に詳細に説明する。
(Second embodiment)
Although it is necessary to set the parameter group before measurement, the method according to the first embodiment has a problem that it is difficult to determine an appropriate value in advance. In particular, it is difficult to predict the values of α 1 and α 2 . The reason for this will be described in detail below.
平均気泡径=約4mm、平均気泡上昇速度=約0.8m/秒、ホールドアップ=約10%の気泡流に検出端2を挿入した場合について、データ演算装置7に保存されたデータの中から抽出した信号波形の例を図5に示す。なおデータ演算装置7で高周波ノイズをカットしているため、図3や図4に比べ滑らかな曲線になっている。   For the case where the detection end 2 is inserted into the bubble flow of average bubble diameter = about 4 mm, average bubble rising speed = about 0.8 m / second, holdup = about 10%, from the data stored in the data calculation device 7 An example of the extracted signal waveform is shown in FIG. In addition, since the high frequency noise is cut with the data arithmetic unit 7, it is a smooth curve compared with FIG. 3 and FIG.
気泡群を計測する場合図5の(C)に示すようなスパイクノイズが発生することが頻繁にある。この原因は、検出端2の形状では屈折率の影響で先端の鋭角部に光が集中しやすく、気泡衝突時に該先端部で気液界面形状がレンズ状になると戻り光量が際だって増大するためと推定される。   When measuring a bubble group, spike noise as shown in FIG. 5C often occurs. This is because, in the shape of the detection end 2, light tends to concentrate on the acute angle portion due to the refractive index, and the amount of return light increases markedly when the gas-liquid interface shape becomes a lens shape at the tip portion at the time of bubble collision. It is estimated to be.
例としてα=0.21、α=0.64とした場合の閾値V、Vを図5に示す。この場合、気相信号レベルVGasを正常に決定できないため、次に続く気液流動状態計算(気泡速度など)が破綻してしまう。 As an example, threshold values V 1 and V 2 when α 1 = 0.21 and α 2 = 0.64 are shown in FIG. In this case, since the gas phase signal level V Gas cannot be determined normally, the subsequent gas-liquid flow state calculation (such as bubble velocity) will fail.
該問題を解決する方法として、
(1)記録されたデータの中からスパイクノイズを含む気泡信号を除去する。
(2)αとαの値を小さくする。
等、が考えられる。しかし(1)について、人間が確認しながら除去する作業は非常に時間がかかるため、計算機による自動処理に比べ測定気泡数を減らさざるを得ない。その結果として計測精度が悪化するという問題がある。また(2)について、スパイクノイズの大きさは予測困難であるため、αとαとして適当な値を計測前に予想することは非常に難しい。
As a method of solving the problem,
(1) The bubble signal including spike noise is removed from the recorded data.
(2) Decrease the values of α 1 and α 2 .
Etc. are conceivable. However, with respect to (1), since it takes a very long time to remove while confirming by humans, the number of bubbles to be measured has to be reduced compared to automatic processing by a computer. As a result, there is a problem that measurement accuracy deteriorates. Regarding (2), since the magnitude of spike noise is difficult to predict, it is very difficult to predict appropriate values for α 1 and α 2 before measurement.
第二実施形態では、光ファイバセンサ信号のヒストグラムを利用することにより、信号に含まれるスパイクノイズによって生じる計測誤差を回避する。   In the second embodiment, a measurement error caused by spike noise included in the signal is avoided by using the histogram of the optical fiber sensor signal.
当該実施形態においては、図5に例示されるスパイクノイズの信号レベルは大きいものの、その発生時間は全体に比べ非常に小さいという性質に着目した。すなわち、図5について信号レベルVのヒストグラムを作成すると図6となる。ヒストグラムの作成に当たり、具体的には、デジタルサンプリングする。例えば、サンプリング周期50kHzで10秒間計測した場合、50k×10=100,000個の出力値データが得られる。このデータのN数を信号レベルVの区間ごとにカウントしてヒストグラムを作成する。   In this embodiment, although the signal level of spike noise illustrated in FIG. 5 is large, attention is paid to the property that the generation time is very small compared to the whole. That is, when the histogram of the signal level V is created for FIG. 5, FIG. 6 is obtained. Specifically, digital sampling is performed when creating the histogram. For example, when measurement is performed for 10 seconds at a sampling period of 50 kHz, 50 k × 10 = 100,000 pieces of output value data are obtained. A histogram is created by counting the number N of the data for each section of the signal level V.
図6では、最大頻度を「1」として、他の頻度をこれに対する比として表している。図6における最大頻度が液相信号レベルにほぼ等しく、準最大頻度が気相信号レベルにほぼ等しい。そして、スパイクノイズの情報は準最大頻度の右側の平坦部に隠される。この性質を利用し、次に示すアルゴリズムBを導き出した。   In FIG. 6, the maximum frequency is “1”, and other frequencies are expressed as a ratio to this. The maximum frequency in FIG. 6 is approximately equal to the liquid phase signal level, and the quasi-maximum frequency is approximately equal to the gas phase signal level. The spike noise information is hidden in the flat portion on the right side of the quasi-maximum frequency. Using this property, the following algorithm B was derived.
<アルゴリズムB>
(B1)信号処理器6に蓄積されたデータのヒストグラムを作成し、
最大頻度に対応する出力値をVLiquid−H、準最大頻度に対応する出力値をVGas−Hとする。ここで
Gas−H>VLiquid−H
である。
(B2)VLiquid−HとVGas−Hの間に閾値を1つまたは2つ設定し、それぞれV`、V`とする。ただし
Gas−H>V`≧V`>VLiquid−H
である。
(B3)V`以上の信号を抽出し、その平均値をVGasとする。
V`以下の信号を抽出し、その平均値をVLiquidとする。
(B4)VGasとVLiquidとの間に閾値を2つ設定し、それぞれV、Vとする。
ただし
Gas>V≧V>VLiquid
である。
(B5)光検出器からの出力値がVを上回った場合は検出端2が気相状態にあると判定する。一方、光検出器からの出力値がVを下回った場合は検出端2が液相状態にあると判定する。
<Algorithm B>
(B1) Create a histogram of the data stored in the signal processor 6,
An output value corresponding to the maximum frequency is V Liquid-H and an output value corresponding to the quasi-maximum frequency is V Gas-H . Where V Gas-H > V Liquid-H
It is.
(B2) threshold and one or two sets of between V Liquid-H and V Gas-H, respectively V` 1, and V` 2. However V Gas-H> V` 1 ≧ V` 2> V Liquid-H
It is.
(B3) V` extracted one or more signals, and the average value V Gas.
V` extracted two following signals, and the average value V Liquid.
(B4) Two threshold values are set between V Gas and V Liquid, and are set as V 3 and V 4 , respectively.
However, V Gas > V 3 ≧ V 4 > V Liquid
It is.
(B5) judges that the detection end 2 when the output value from the light detector exceeds a V 3 is in the gaseous state. On the other hand, it is determined that if the output value from the light detector falls below the V 4 is the detection end 2 is in the liquid phase.
アルゴリズムBにおけるB4、B5は前述のアルゴリズムAにおけるA4、A5と同じである。
V`、V`、V、Vの計算式として、次式を使用する。
V`=VLiquid−H+α`(VGas−H−VLiquid−H) (5)
V`=VLiquid−H+α`(VGas−H−VLiquid−H) (6)
=VLiquid+α(VGas−VLiquid) (7)
=VLiquid+α(VGas−VLiquid) (8)
B4 and B5 in algorithm B are the same as A4 and A5 in algorithm A described above.
V` 1, as formula for V` 2, V 3, V 4 , and using the following equation.
V` 1 = V Liquid-H + α` 1 (V Gas-H -V Liquid-H) (5)
V` 2 = V Liquid-H + α` 2 (V Gas-H -V Liquid-H) (6)
V 3 = V Liquid + α 3 (V Gas −V Liquid ) (7)
V 4 = V Liquid + α 4 (V Gas −V Liquid ) (8)
(7)式は(3)式と、(8)式は(4)式と同じである。   The expression (7) is the same as the expression (3), and the expression (8) is the same as the expression (4).
ここでα`、α`、α、αは二相流動状態計測装置のチューニングパラメータである。
α`=0.005〜0.5、
α`はα`の1〜5倍かつV`がVGas−Hを超えない範囲、
α=0.01〜0.9
αはαの1〜5倍、かつVがVGasを超えない範囲である。
好ましくは、
α`=0.4〜0.5
α`=0.4〜0.6
α=0.1〜0.5
α=0.2〜0.9
である。
Here, α ′ 1 , α ′ 2 , α 3 , and α 4 are tuning parameters of the two-phase flow state measuring device.
α` 1 = 0.005~0.5,
Arufa` 2 range of 1 to 5 times and V` 2 of Arufa` 1 does not exceed V Gas-H,
α 3 = 0.01 to 0.9
α 4 is 1 to 5 times α 3 and V 4 does not exceed V Gas .
Preferably,
α` 1 = 0.4~0.5
α` 2 = 0.4 ~ 0.6
α 3 = 0.1 to 0.5
α 4 = 0.2 to 0.9
It is.
以上のようにアルゴリズムを構成すれば、信号に含まれるスパイクノイズの大きさに殆ど影響を受けずに気相信号レベルVGasおよび液相信号レベルVLiquidを決定できる。 If the algorithm is configured as described above, the gas phase signal level V Gas and the liquid phase signal level V Liquid can be determined without being substantially affected by the magnitude of spike noise included in the signal.
本発明の実施例を図7に示す。 An embodiment of the present invention is shown in FIG.
検出端群8は検出端を4つ含み、各検出端の先端は下向き三角錐の頂点になるよう配置される。略中央に配置されたセンタープローブ9の検出端11がその他の周囲プローブ10の検出端12よりも1.38mm突き出した構造になっている。周囲プローブ10の検出端12の先端はほぼ同じ高さに配置されており、その中心点を通る円の半径は0.25mmである。   The detection end group 8 includes four detection ends, and the tip of each detection end is arranged to be the apex of a downward triangular pyramid. The detection end 11 of the center probe 9 disposed substantially at the center protrudes 1.38 mm from the detection ends 12 of the other surrounding probes 10. The tip of the detection end 12 of the surrounding probe 10 is arranged at substantially the same height, and the radius of a circle passing through the center point is 0.25 mm.
検出端を4つ含む構成にすることにより、気泡速度の3次元計測が可能となる。ある気泡が検出端群8に衝突した際、センタープローブ検出端11への衝突時刻と他3つの周囲プローブ検出端12との衝突時刻との差をそれぞれt、t、tとすれば、気泡速度ベクトルの大きさ By using a configuration including four detection ends, three-dimensional measurement of the bubble velocity becomes possible. When a bubble collides with the detection end group 8, the difference between the collision time with the center probe detection end 11 and the collision time with the other three surrounding probe detection ends 12 is t 1 , t 2 , and t 3 , respectively. , Bubble velocity vector magnitude
およびファイバー軸に対する相対角度 And relative angle to fiber axis

は次式で計算される。

Is calculated by the following equation.
平均気泡径3.1mm、平均上昇速度0.334m/秒、ホールドアップ7.9%の水-空気系鉛直気泡塔の内部に該計測装置を設置した。計測装置のチューニングパラメータを表1に示す。   The measuring device was installed inside a water-air vertical bubble column having an average bubble diameter of 3.1 mm, an average ascending speed of 0.334 m / sec, and a hold-up of 7.9%. Table 1 shows the tuning parameters of the measuring device.
気泡上昇速度の計測結果を図8に示す。横軸にチューニングパラメータαの値を、縦軸に気泡上昇速度を示している。 The measurement result of the bubble rising speed is shown in FIG. The value of tuning parameter alpha 3 the horizontal axis shows the bubble rising velocity on the vertical axis.
図8より、計測精度を確保するαのチューニング範囲が第一実施形態の方式では狭いため、計測前に予測することが比較的難しいといえる。しかし、第二実施形態の方式によれば、概してα=0.2〜0.45の範囲にあれば良い。従って、第二実施形態のアルゴリズムを備えた二相流動状態計測装置の方がより安定的に計測を実施可能であるといえる。 From FIG. 8, it can be said that it is relatively difficult to predict before measurement because the tuning range of α 3 for ensuring measurement accuracy is narrow in the method of the first embodiment. However, according to the system of the second embodiment, it is generally only necessary to be in the range of α 3 = 0.2 to 0.45. Therefore, it can be said that the two-phase flow state measuring device provided with the algorithm of the second embodiment can perform measurement more stably.
以上、現時点において、もっとも、実践的であり、かつ、好ましいと思われる実施形態に関連して本発明を説明したが、本発明は、本願明細書中に開示された実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲および明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う光ファイバーを利用した二相流動状態の計測方法および装置もまた本発明の技術的範囲に包含されるものとして理解されなければならない。   While the present invention has been described in connection with embodiments that are presently the most practical and preferred at the present time, the present invention is not limited to the embodiments disclosed herein. Rather, the method and apparatus for measuring a two-phase flow state using an optical fiber can be changed as appropriate without departing from the spirit or concept of the invention that can be read from the claims and the entire specification. It should be understood as being included in the technical scope of the invention.
本発明に係る二相流動状態計測装置の構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of the two-phase flow state measuring apparatus which concerns on this invention. 検出端に単一気泡が衝突した際に光検出器の出力値の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the output value of a photodetector when a single bubble collides with a detection end. 検出端の位置を少しずらした状態で2本のプローブを構成した場合に光検出器の出力値の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the output value of a photodetector, when two probes are comprised in the state which shifted the position of the detection end a little. データ取得装置で取得したデータから気相信号レベルおよび液相信号レベルを決定するアルゴリズムの説明図である。It is explanatory drawing of the algorithm which determines a gaseous-phase signal level and a liquid phase signal level from the data acquired with the data acquisition apparatus. 本発明に係る光ファイバーを気泡群に挿入した場合の信号の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the signal at the time of inserting the optical fiber which concerns on this invention in a bubble group. 図5のヒストグラムを示す図である。It is a figure which shows the histogram of FIG. 本発明の実施例を示す図である。It is a figure which shows the Example of this invention. 本発明の第一実施形態及び第二実施形態の計測方法によって計測される気泡群の平均速度を示す図である。It is a figure which shows the average speed of the bubble group measured by the measuring method of 1st embodiment of this invention, and 2nd embodiment.
符号の説明Explanation of symbols
1 光ファイバー
2 検出端
3 分光端
4 光源
5 光検出器
6 データ取得装置
7 データ演算装置
8 検出端群
9 センタープローブ
10 周囲プローブ
11 センタープローブの検出端
12 周囲プローブの検出端
20 二相流動状態計測装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Optical fiber 2 Detection end 3 Spectroscopic end 4 Light source 5 Photo detector 6 Data acquisition device 7 Data operation device 8 Detection end group 9 Center probe 10 Surrounding probe 11 Detection end of center probe 12 Detection end of surrounding probe 20 Two-phase flow state measurement apparatus

Claims (4)

  1. 光透過性を有し、かつ異なる屈折率を備えた二相の、相間界面移動速度、一方の相の径、及び、前記一方の相と他方の相との体積率を、同時に計測しうる方法であって、
    軸芯方向に対して傾斜する端面を有する光ファイバーを、該端面を前記二相の移動する方向の上流側に向けて配置する工程と、
    前記傾斜する端面とは反対側の端面から前記光ファイバー内に光を入射する工程と、
    前記光のうち、前記傾斜する端面で反射された光を前記反対側の端面から検出して電気信号に変換して蓄積する工程と、
    前記電気信号を所定の時間ごとにその最大値及び最小値を抽出するとともに、該最大値、及び最小値から閾値を導出して、該閾値と各時点における検出出力値とを比較することにより、前記傾斜する端部が前記二相のいずれに接しているかを判定する工程と、
    を含む計測方法。
    A method capable of simultaneously measuring two-phase interfacial interface moving speed, the diameter of one phase, and the volume ratio of the one phase and the other phase having light transmittance and different refractive indexes. Because
    Disposing an optical fiber having an end face inclined with respect to the axial direction toward the upstream side in the direction in which the two phases move;
    Injecting light into the optical fiber from an end surface opposite to the inclined end surface;
    Of the light, the step of detecting the light reflected by the inclined end face from the opposite end face, converting it to an electrical signal and storing it;
    By extracting the maximum value and the minimum value of the electrical signal at predetermined time intervals, deriving a threshold value from the maximum value and the minimum value, and comparing the threshold value with the detection output value at each time point, Determining which of the two phases the inclined end is in contact with;
    Measuring method including
  2. 光透過性を有し、かつ異なる屈折率を備えた二相の、相間界面移動速度、一方の相の径、及び、前記一方の相と他方の相との体積率を、同時に計測しうる方法であって、
    軸芯方向に対して傾斜する端面を有する光ファイバーを、該端面を前記二相の移動する方向の上流側に向けて配置する工程と、
    前記傾斜する端面とは反対側の端面から前記光ファイバー内に光を入射する工程と、
    前記光のうち、前記傾斜する端面で反射された光を前記反対側の端面から検出して電気信号に変換して蓄積する工程と、
    前記電気信号を所定の時間に区分して、その区分内の検出出力に関するヒストグラムを求め、その最大頻度及び準最大頻度に対応する検出出力を抽出するとともに、これらの検出出力から閾値を導出して、該閾値と各時点における検出出力値と比較することにより前記傾斜する端部が前記二相のいずれに接しているかを判定する工程と、
    を含む計測方法。
    A method capable of simultaneously measuring two-phase interfacial interface moving speed, the diameter of one phase, and the volume ratio of the one phase and the other phase having light transmittance and different refractive indexes. Because
    Disposing an optical fiber having an end face inclined with respect to the axial direction toward the upstream side in the direction in which the two phases move;
    Injecting light into the optical fiber from an end surface opposite to the inclined end surface;
    Of the light, the step of detecting the light reflected by the inclined end face from the opposite end face, converting it to an electrical signal and storing it;
    The electrical signal is divided into predetermined times, a histogram relating to the detection output in the division is obtained, detection outputs corresponding to the maximum frequency and sub-maximum frequency are extracted, and a threshold is derived from these detection outputs. Determining which of the two phases the inclining end is in contact with by comparing the threshold value with the detected output value at each time point;
    Measuring method including
  3. 前記二相は、気相と液相とである請求項1又は2に記載の計測方法。 The measurement method according to claim 1, wherein the two phases are a gas phase and a liquid phase.
  4. 液相と気相とがなす、相間界面移動速度、一方の相の径、及び、前記一方の相と他方の相との体積率を、同時に計測しうる計測装置であって、
    軸芯方向に対して傾斜する端面を有する光ファイバーと、
    前記傾斜する端面とは反対側の端面から前記光ファイバー内に光を入射する光源と、
    前記光のうち、前記傾斜する端面で反射された光を前記反対側の端面から検出して電気信号に変換する光検出器と、
    前記電気信号を所定の時間に区分して、その区分内の検出出力に関するヒストグラムを求め、その最大頻度及び準最大頻度に対応する検出出力を抽出するとともに、これら抽出された検出出力から閾値を導出して、該閾値と各時点における検出出力値とを比較することにより前記傾斜する端部が前記二相のいずれに接しているかを判定する処理を少なくとも行い得る演算装置と、
    を備えた計測装置。
    A measuring device capable of simultaneously measuring the interphase transition speed formed by the liquid phase and the gas phase, the diameter of one phase, and the volume ratio of the one phase and the other phase,
    An optical fiber having an end face inclined with respect to the axial direction;
    A light source for entering light into the optical fiber from an end surface opposite to the inclined end surface;
    Among the light, a photodetector that detects light reflected by the inclined end surface from the opposite end surface and converts it into an electrical signal;
    The electrical signal is divided into predetermined times, a histogram relating to the detection output in the division is obtained, detection outputs corresponding to the maximum frequency and sub-maximum frequency are extracted, and a threshold value is derived from the extracted detection outputs. And an arithmetic unit capable of at least performing a process of determining which of the two phases is in contact with the inclined end by comparing the threshold value with a detection output value at each time point;
    Measuring device equipped with.
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