JP2010513919A - ファイバブラッググレーティングセンサを備えるカルマン渦流量計アセンブリおよび流量測定方法 - Google Patents

Abstract

アセンブリは、流路と流量計とを備える。流量計（１）は、流路（Ｃ）内に延在する少なくとも１つの渦発生体（２）を備える。各渦発生体（２）は、作動中、流路（Ｃ）を流れる流体にカルマン渦（Ｖ）を発生させるように構成されている。各渦発生体（２）には、ファイバブラッググレーティングセンサ（３，７，ＦＢＧ）の第１ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）が設けられている。渦発生体（２）によって発生した渦（Ｖ）のカルマン渦周波数（ｆ_ｅ）は、渦発生体（２）の各第１ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）に関するファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）センサ信号を用いて検出可能である。
【選択図】図３

Description

本発明は、流路と流量計を備えるアセンブリ、および流量の測定方法に関する。

油井／ガス井では、生産を増大するために水または蒸気が油田／ガス田に注入されることが多い。そこで、利用可能な水／蒸気注入ラインの流動状態の情報を得ることが望ましい。しかし、油井で使用可能な流量計は限られており、例えば米国特許６，６９１，５８４Ｂ２に開示されたシステムのように、これらは非常に高価、大型で複雑である。

また、特開２００３-８７４５１号公報（発明者菱田康之）には、光式流速センサが記載されている。これは、可撓性のある検知棒が流れによって流れの方向に撓むのをファイバブラッググレーティングによって検出している。撓みと流量との関係が非線形であるため、このセンサの較正は比較的難しい。また、温度補正用に別のブラッググレーティングが必要である。さらに、このセンサの計測方法（ＦＢＧの反射センサ信号の振幅を用いて歪を計測する）はあまり正確とはいえず、また、棒の可撓性が経時変化することで、経時的に計測結果にドリフトが発生する可能性がある。そのうえ、このセンサーは油井での使用に十分適したものではない。

本発明は、これらの問題を解決することを目的とする。とくに、本発明は、比較的安価、コンパクトで耐久性のある手段を用いて、流量を、望ましくは比較的広範囲にわたって正確に計測できるアセンブリおよび方法を提供することを目的とする。

このため、本発明の一実施の形態によるアセンブリは、請求項１の構成要素を備えることを特徴とする。

有利なことに、流量計は、流路内に延在する少なくとも１つの渦発生体を備える。各渦発生体は、作動中、流路を流れる流体にカルマン渦を発生させるように構成されている。各渦発生体には、ファイバブラッググレーティングセンサの第１ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）が設けられている。渦発生体によって発生した渦のカルマン渦周波数は、渦発生体の各第１ファイバブラッググレーティングに関するファイバブラッググレーティングセンサ信号を用いて検出することができる。また、例えば複数のＦＢＧフローセンサの多重送信を行うことで、単一のファイバを用いてセンサアレイを実現することができる。

本アセンブリによって、再現性の高い、非常に正確な流量測定結果を得られることがわかった。また、本アセンブリ（とくに、渦発生体と各ファイバブラッググレーティング部）からなる流量計を、コンパクトで耐久性がありながら、比較安価な装置とすることができる。

本発明の基本的なアイディアは、流量計のファイバブラッググレーティング部が、簡単にカルマン渦発生体と一体化されているということである。この場合でも、流量計によって、各ファイバブラッググレーティングに関するセンサ信号から、カルマン渦周波数を推測して、流体の流速を正確に測定することができる。カルマン周波数は、とくに油井で利用される場合に一般的な所定の流量範囲において、周波数と流速が互いにほぼ線形に依存するため、流速の測定手段として非常に信頼性が高い。さらに、ＦＢＧセンサ信号を、比較的簡単な処理方法を用いて処理することで、単一のＦＢＧによって検出されるカルマン周波数を得ることができる。

水の流量計自体にファイバブラッググレーティングを利用することは、タカシマショウイチ氏らの「A water flowmeter using dual fiber Bragg grating sensors and cross-correlation technique」（Sensors and Acuators A 116 2004 pp.66 (Elsevier)）に開示されている。しかし、この公報に記載のものは、本発明から逸脱している。すなわち、この公報には、少なくとも２つの離間したカンチレバーＦＢＧセンサを鈍頭物体の下流側に設け、遅延時間を検出するために各センサ信号を相互相関する必要があり、流速は、２つのＦＢＧセンサ間の距離と、遅延時間から得られると記載されている。この公知のシステムは、高価、複雑であって、機械的に不具合を起こす傾向があり、また、かさばるため取付が難しい。さらに、このシステムは、一方向に流れる流体の流量を検出できるだけである。

さらに、一実施の形態として、本発明によるアセンブリからなる流量計を提供する。当該流量計は、作動中、少なくとも１つの渦発生体によって発生した渦のカルマン渦周波数を、渦発生体の各第１ファイバブラッググレーティングに関する各ファイバブラッググレーティングセンサ信号を用いて検出することによって、流路内の流速を測定するように特別に構成されている。ブラッググレーティングセンサは油井用の電子回路が不要なため、この流量計は、油井での極限状態（高温、高圧）での利用に適している。

さらに、流路内を流れる流体の流量を測定する方法を提供する。当該方法は、例えば、本発明による流量計を利用することができ、具体的には、以下のステップを有する。すなわち、
−流路内に少なくとも１つの渦発生体を設置し、各渦発生体は、流路を流れる流体にカルマン渦を発生させる。
−渦発生体に、少なくとも１つの第１ファイバブラッググレーティングを有するファイバを設置する。グレーティングは、グレーティングが受ける歪の量に応じて所定の波長の光信号を反射するように構成されている。カルマン渦から生じる流体圧力変化によって、各ファイバブラッググレーティングが受ける歪が変化する。
−光信号をファイバへ伝達する。信号は、グレーティングが所定量の歪、例えば歪ゼロを受けた場合に、第１ファイバブラッググレーティングによって少なくとも部分的に反射される波長をもつ。
−渦発生体の第１ファイバブラッググレーティングによって反射された光信号を検出する。
−検出された信号を処理し、検出信号の変化から流体流速を測定する。

望ましくは、上記方法は、ファイバブラッググレーティングを利用して、渦発生体の表面歪の変化を測定する。

本発明の有利な実施の形態は従属する請求項に記載されている。

本発明のこれらの態様および他の態様を、以下に、図面に示した非限定的な実施の形態を参照して明確に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態の長手方向断面図を示す。 図２は、図１のＩＩ−ＩＩ断面図を示す。 図３は、図１の長手方向に沿ったＩＩＩ-ＩＩＩ概略断面図を示す。 図４は、図１の実施の形態の渦発生体の斜視図である。 図５は、図４に示す渦発生体の長手方向断面図である。 図６は、図４に示す渦発生体の正面図である。 図７は、図６のＶＩＩ−ＶＩＩ断面図を示す。 図８は、流速に対する発生周波数の計測値の一例を示すグラフである。

本明細書において、同様または対応する構成には、同様または対応する参照符号を付している。

図１〜６は、これに限定されるものではないが、流路Ｃと流量計１とを備えるアセンブリの一実施の形態を示している。

流路Ｃ（例えば、流体ライン、パイプ、導管）は、流体、例えば、ガス、ガス混合気、空気、液体、液体混合物、水、蒸気を流すように構成されている。ある特定の実施形態として、流路Ｃは油田またはガス田に流体を導入するように構成できるが、当業者にはわかるように、流路Ｃは別の形態にも使用可能である。本実施の形態では、流路Ｃは、直径（幅）Ｗの実質的に円形な断面を有する。流路は、異なる構成とすることもできる。例えば、断面を長方形または正方形としたり、当業者に知られている別の形状の断面とすることもできる。

流量計１は、作動中に流路Ｃを流れる流体の流量を測定するように構成されている。このため、流量計１は、流路Ｃ内に延在する少なくとも１つの渦発生体２（１つのみを図示）を備える。更なる実施の形態として、アセンブリは、流路Ｃ内の異なる場所において流量を検出するために、複数の渦発生体２を離間して設置する。この場合、流量計１によって流量データを検出し、例えば油田またはガス田の特定の部分（層）に注入されている流体の量を計測または予測することができる。例えば、渦発生体２は、当業者には知られているように、実質的に流路全体（図面参照）、または部分的に延在することができる。

各渦発生体２は、作動中、流路Ｃを流れる流体にカルマン渦Ｖを発生させるように構成されている（図３参照）。図３において、流体の流れる方向を矢印Ｙで示す。具体的には、各渦発生体２は、好ましくは実質的に平行で、鋭角な外側縁をなす２つの渦剥離端部ｔを有する鈍頭物体２である。鈍頭物体２は、これらの端部ｔを他の部分に対して上流側（図３参照）、あるいは下流側（例えば、図３の流れ方向を逆にした場合）に配置するよう構成することができる。本実施の形態では、鈍頭物体２は流路壁１１に固定して取り付けられている。

具体的には、流量計１は、流体流れの中に置かれた障害物（鈍頭物体２）による渦放出の原理に基づいている（図３参照）。鈍頭物体２の両側では、粘性により境界層が生成され、境界層は端部ｔによって構成された剥離点において剥離することができる。作動中、渦Ｖは、渦発生周波数（vortex shedding frequency）ｆ_Ｋで鈍頭物体２の両側に交互に分離される。従来から知られているように、渦発生周波数ｆ_Ｋは以下の式１で表されるように流速Ｕに比例する。
ｆ_Ｋ＝Ｓｔ（Ｕ／Ｄｂ） ・・・（１）
ここで、Ｓｔは、無次元のストローハル数、Ｕは流速（ｍ/ｓ）、Ｄｂは鈍頭物体の直径／幅（ｍ）である。周知のように、ストローハル数Ｓｔは、ある鈍頭物体形状に特有のものであり、比較的大きな範囲のレイノルズ数に対して一定である。したがって、流量（ｍ/ｓ）と発生周波数との関係は、広範囲の流量にわたって線形である。例えば、本実施の形態は流速が０．５〜５ｍ/ｓの範囲（ターンダウン比１：１０）で利用可能であり、例えば作動温度は摂氏２０〜３５０度の範囲で、作動圧力を種々の値とすることができる。また、当業者にはわかるように、流量計１はこれらの流速や温度範囲外でも利用可能に構成できる。鋭角端部ｔを設けて剥離点を正確に定義した発生体２を選択することで、境界層を制御することができる。

鈍頭物体２は種々の材料で製造可能である。例えば、硬く、耐腐食性の材料、とくに適当な金属、合金、鉄鋼、または硬質プラスチック、強化プラスチック、例えばステンレス、またはアルミニウム、および／または他の適当な材料から、鈍頭物体２を製造することができる（油井での使用には、耐久性の観点からステンレスが好ましい）。

図４〜７は、鈍頭物体／シェダー（shedder）の構成の有利な実施の形態の詳細を示している。流速と渦放出との間の関係を線形とするために、本実施の形態による渦発生体２は、適切に定義された剥離ライン（端部）ｔを有するとともに、実質的にＴ字形状の断面を有する。このため、シェダー２は、第１部２Ａ（すなわちＴ字形状のＴの上部）と、第２部２Ｂ（すなわちＴ字形状のＴの中心線）を備えている。第１部は２つの剥離端部ｔを有し、第２部は流体分割部材２Ｂである。

第１および第２のシェダー部２Ａ，２Ｂは、両方とも、種々の構成とすることができる。第１および第２のシェダー部２Ａ，２Ｂは、同じ材料から製造することが望ましいが、必ずしも同じ材料でなくてもよい。

第１のシェダー部２Ａは、有利なことに、硬く、望ましくは実質的に固体の部分２Ａであって、流路Ｃの壁１１に強固に固定（すなわち、作動中に実質的に移動不可能）されている。第１のシェダー部２Ａは、流路の長手方向（すなわち使用時に流路Ｃを流れる流体の流れ方向Ｙ)に対して実質的に交差方向に延在する前面を備え、前面の両側はシェダー２の渦剥離ラインｔとなっている。

本実施の形態では、第１のシェダー部２Ａの長さＬ１は実質的に、すなわちほぼ、流路の直径／幅Ｘ１（図１参照）に等しい。したがって、流路Ｃの壁が、流れ剥離端部ｔのエンドプレートとして機能する（すなわち、各流れ剥離端部ｔの両端は、それぞれ流路壁１１の流路壁部に、あるいはその近辺に配置される）。したがって、鈍頭物体２の第１部２Ａは、図１，２に示すように、流路Ｃの第１内壁部１１ａから流路Ｃの反対側の第２内壁部１１ｂまで、望ましくは流路Ｃの中心を通って延在する。ここで、例えば、鈍頭物体２の端と流路壁との間に、狭いスリットを延在させておくこともできる。スリットＺは例えば、図１に示すように１ｍｍ以下の幅をもつ。

例えば、耐久性のある構成とする場合、第１のシェダー部２Ａの一端（または両端）を、例えばクランプ、接着、溶接、適当なカップリング、ボルト固定、着脱可能に、これらの組み合わせで、および／または別の方法で、流路壁部（または複数の壁部）に強固に固定することができる。本実施の形態では、第１のシェダー部２Ａの一端が、第１の流路壁部に接続して固定された取付構造９に取り付けられている。例えば、取付構造は、鈍頭物体２を支持する第１の取付部９ａと、三角形をなすように互いに離間した３つの第１ボルト１３ａによって第１部９ａに接続された第２の取付部９ｂと、第２の取付部９ｂと流路壁１１とを接続する第３の取付部９ｃとを含む。さらに、流路壁１１は、第１の取付部９ａに支持された鈍頭物体２を流路Ｃに導入するための開口１２を備えることができる。取付構造９は、取付後に開口を液密に封止するシーリングを備えるように構成することができる。

別の実施の形態では、鈍頭物体部分２Ａの長さＬ１を、流路直径／幅Ｘ１よりかなり小さくすることができる。ここで、鈍頭物体２は、鈍頭物体２における境界層を制御するために、渦剥離端部ｔに対して交差する方向に延在する１つ以上のエンドプレートを備えることができる。

更なる実施の形態（図３参照）では、流路の長手方向に対して交差する方向について測定した２つの渦剥離端部（ライン）ｔの間の距離Ｄｂが、同じ方向について測定した流路Ｃの幅Ｘ２の１０分の１、例えば流路Ｃの幅の約４分の１よりも大きい。ここで、２つの渦剥離端部の間の距離Ｄｂは、流路Ｃの幅Ｘ２の半分よりも小さいことが望ましい。本実施の形態では、流路Ｃの断面が円形であるため、当該流路幅Ｘ２は、図１において矢印Ｘ１で示した上記流路幅と等しい。

第１のシェダー部２Ａの長手方向の断面は、実質的に三角形（図３，７）、または切頂三角形であることが望ましいが、別の形状とすることもできる。

第２のシェダー部２Ｂは、実質的に長方形（例えば本実施の形態）の、板状、細片状、またはシート状の構成を有する。例えば、第２のシェダー部２Ｂは、直交する３方向において、第１の直交方向（厚さＫ）が、第２および第３の直交方向（長さＬ２，幅Ｇ）のそれぞれよりもかなり小さくなるように（例えば、少なくとも５０倍）、寸法決めすることができる。

また、第２のシェダー部２Ｂは、実質的に流路の長手方向に延在し、互いに反対方向を向いた２つの流体圧作用面を有することが望ましい。これらの流体圧作用面は、作動中に渦誘起圧力変化を交互に受けるとともに、これらの圧力変化によって歪むように構成されている。本実施の形態では、具体的には、圧力変化によって、第２のシェダー部２Ｂに流れ方向Ｙに直交する振動および／または変形が起こる（すなわち、シェダー部２Ｂの渦誘起変形および／または振動は、主に部分２Ｂの横方向に発生し、図３の矢印ｑで示される。換言すると、振動および／または変形は、シェダー部２Ｂの圧力作用面に実質的に直交する）。変形および／または振動は、第２のシェダー部２Ｂに表面歪みを発生させる。

本実施の形態では、第２のシェダー部２Ｂは、第１のシェダー部２Ａの中央に、２つの剥離端部ｔを有する鈍頭物体に対して直交するように延在し、さらに取付後に流路Ｃの中央を通って延在することが望ましい。例えば、第１および第２部２Ａ，２Ｂを有する鈍頭物体の外形は、本実施の形態のように、長手方向の中央鏡面に対して実質的にミラー対称とすることができる。

本実施の形態では、第２のシェダー部２Ｂの横面（図５Ａの下側）は、第１のシェダー部２Ａの対応する横面と同一面に延在する（図５参照）。しかし、第１のシェダー部２Ｂの別の横面は、図５に矢印Ｈで示す距離だけ取付構造９から離間している（図５参照）。

第２のシェダー部２Ｂは、圧力変化作用部２Ｂ、すなわち歪部であり、作動中に渦誘起圧力変化を受けるように構成されている。とくに、カルマン渦は第２のシェダー部２Ｂ、より具体的にはその表面部分に、歪変化（図３に矢印ｑで示す）を生じさせることができる（すなわち、作動中の渦誘起圧力変化は第２のシェダー部２Ｂに／第２のシェダー部の表面歪を発生させる）。例えば、第２のシェダー部２Ｂは、作動中に渦誘起圧力変化を受けて微小振動ｑを発生するように、わずかに弾性変形可能とすることができる。微小振動ｑは、第２のシェダー部２Ｂの両（圧力作用）面における歪を変化させる。これらの歪変化はとくに、第１のシェダー部２Ａと当接する領域（すなわち、第１のシェダー部２Ａとの接点）において比較的高い。

更なる実施の形態では、シェダー２の圧力変化作用部（すなわち第２部）２Ｂは、両側の長手方向の流れ制限部（本実施の形態では、一方のシェダー横面に対する流路壁部と、他方のシェダー横面に対する取付構造部を含む）から離間した２つの横面を有する。例えば、図１において、長方形の渦発生体部２Ｂの（図面における）下方横面と、流路壁１１との間の距離Ｚは、約０．１〜１０ｍｍの範囲内、とくに約１〜２ｍｍであることが望ましい。長方形の渦発生体部２Ｂの（図１における）上方横面と第１の取付部９ａとの間のスリットの幅Ｈも、約０．１〜１０ｍｍの範囲内、とくに約１〜２ｍｍであることが望ましい。したがって、第２のシェダー部２Ｂの横面は、両側の流れ制限面から離れており、渦誘起圧力変化が第２のシェダー部２Ｂにおける表面歪変化および／または振動を引き起こすことができる。具体的には、渦誘起圧力変化は渦発生体の振動および／または変形を引き起こし、この振動および／または変形が表面歪を発生させる。

したがって、第２のシェダー部２Ｂの長さＬ２（剥離ラインｔに対して平行な方向に測定）は、第２のシェダー部２Ａの長さＬ１よりもわずかに小さいことが望ましい。長さの差は、例えば、約０．１〜２０ｍｍの範囲、とくに約１〜２ｍｍである（図５参照）。

第２のシェダー部２Ｂの長さＬ２は、第２のシェダー部２Ｂの外部セクション（テールセクション）の幅Ｇよりも大きいことが望ましい。幅Ｇは、流路の長手方向に沿って測定される（図５参照。ここで、第２のシェダー部２Ｂの幅Ｇは、第１のシェダー部から外側に延在する第２のシェダー部の一部であって、シェダーの流体圧変化作用部として機能するセクションの幅である）。例えば、第２部２Ｂの長さＬ２は、第２部２Ｂの当該幅Ｇの約１．５〜２倍の範囲内とすることができる。Ｌ２を、Ｇの１．７〜１．９倍、とくに長さＬ２を幅Ｇの１．８倍に等しくすると良好な結果が得られることがわかった。

また、第２のシェダー部２Ｂの厚さＫ（交差方向に沿って測定）を、約１０ｍｍよりも小さく、望ましくは約５ｍｍよりも小さく、とくに約１〜２ｍｍの範囲内とした場合に、良好な結果が得られることがわかった。

第１および第２のシェダー部２Ａ、２Ｂは、種々の方法によって互いに接続することができる。例えば、第１および第２のシェダー部を、単一の部材として製造することができる。また、第１および第２のシェダー部２Ａ、２Ｂを、接着、溶接、ボルト固定（図１〜７の実施の形態に示すようにボルト６を利用）、力拘束固定（force closure fixation）、物体拘束固定（form closure fixation）、これらの組み合わせ、および／または別の手法によって、互いに接続することもできる。本実施の形態では、第２のシェダー部２Ｂは、第１のシェダー部２Ａ内に延在して支持される内部セクションと、上述したように、第１のシェダー部２Ａの外側に延在し、渦誘起圧力の変化を検知する外部セクション（上記幅Ｇをもつ）とを備える。第２のシェダー部２Ｂの上記外部（テール）セクションは、図示のように、実質的に途切れがなく、実質的に中断のない（連続した）圧力作用面を構成する。

第１および第２のシェダー部２Ａ、２Ｂは、渦誘起圧力変化が、シェダーのある領域（例えば、第１のシェダー部２Ａと当接する第２のシェダー部２Ｂの外部セクション）に比較的大きな歪変化を引き起こすことができるように構成されていることが望ましい。

また、各渦発生体２は、ファイバブラッググレーティングセンサ３，７，ＦＢＧを構成する第１のファイバブラッググレーティングＦＢＧを備えている。作動中、渦発生体２によって発生した渦Ｖのカルマン渦周波数ｆ_Ｋは、渦発生体２の各第１ファイバブラッググレーティングＦＢＧに関するファイバブラッググレーティングセンサ信号を用いて検出することができる。第１のファイバーブラッググレーティングＦＢＧは、シェダー２において、作動中に振動／変形によって発生する渦圧力変化による表面歪変化を比較的大きく受けるセクションに取り付けられ、これらの歪変化を検出するように構成されることが望ましい。

また、更なる実施の形態では、各渦発生体２のファイバブラッググレーティングＦＢＧは、上述した圧力変化、具体的には圧力変化による歪変化を検知するとともに、圧力変化を検知することで、各ファイバブラッググレーティングセンサ信号が変化するように構成されている。ファイバブラッググレーティングＦＢＧは、第２のシェダー部２Ｂの近辺に取り付けられ、あるいは第２のシェダー部の内部に延在、あるいは当接、あるいは埋め込まれ、作動中にシェダー部２Ｂの変形／振動に起因する上記表面歪に敏感に反応するように設置されている。

第１のファイバブラッググレーティングＦＢＧは、有利なことに、各渦発生体２の渦剥離面（２つの渦剥離ラインｔを有する）から離間している。また、第１のファイバブラッググレーティングＦＢＧの位置は、第２のシェダー部２Ｂの２つの横面から離間している。

さらに、（図５に示すように）、作動中に、第１のファイバブラッググレーティングＦＢＧの長手方向と流体の流れ方向とが成す角度は、９０度より小さく、例えば３０度より小さく、望ましくは５度より小さい。本実施の形態では、第１のファイバブラッググレーティングＦＢＧの長手方向と流体の流れ方向Ｙとのなす角度は、約０度である。

具体的には、圧力変化作用部／第２のシェダー部２Ｂは、少なくとも部分的に湾曲した経路に沿って延在し、第１のファイバブラッググレーティングＦＢＧを含む湾曲したファイバ部８を一体的に備える（図４、５参照）。湾曲ファイバ部８の第１セクション８ａは、渦発生体２の渦放出面とは反対側を向いたシェダー自由端Ｅからわずかな距離において、流路の長手方向に対して実質的に直交する方向に延在することが望ましい。ファイバ部８の第２セクション８ｂは、渦発生体２の渦放出面近辺に配置され、流路の長手方向に実質的に平行に延在することが望ましい。本実施の形態では、この第２ファイバセクション８ｂが、第１のファイバブラッググレーティングＦＢＧを備える。具体的には、シェダー２に設けられたファイバ部の湾曲経路は、第１のシェダー部２Ａの入口位置からシェダー自由端Ｅにファイバを導く第１湾曲部Ａ１と、これに続いて、シェダー自由端Ｅから第１のシェダー部２Ａへ戻り、入口位置から離れた位置のブラッググレーティングまでファイバを導く第２湾曲部Ａ２（第１湾曲部の湾曲方向とは反対方向に湾曲）とからなる。

更なる実施の形態（不図示）では、ファイバをより一層湾曲（例えば、渦発生体２に沿って、および／または渦発生体２を通って実質的に完全なループを生成）させて、流路壁１１まで戻すように導くこともできる。さらに支持構造９を通って、例えば別の渦発生体２に導いて、当該渦発生体に別の第１のブラッググレーティングを設けることもできる。この場合、ファイバ入口位置（ポイント）を、ファイバー出口位置とすることもできる。

具体的には、本実施の形態では、取付構造９は、ファイバ７を流路Ｃの外側の領域から渦発生体２に通す貫通孔１５（図５参照）を備える。第１のシェダー部２Ａは、ファイバ７を受け入れる同様の開口を備えることができる。第２のシェダー部２Ｂは、第１のファイバブラッググレーティングＦＢＧを含む湾曲ファイバ部８を支持する湾曲溝５もしくは開口を備えることができる。更なる実施の形態では、渦発生体２からファイバ７を再び流路外に取り出し、別の位置、例えば別の渦発生体（不図示）へと導くためにも、貫通孔１５を利用することができる。

例えば、シェダー２のファイバ支持溝５の深さは、第２シェダー部２Ｂの厚さＫよりも小さくすることができ、例えば１ｍｍよりも小さい深さ、例えば約０．４ｍｍの深さとすることができる。例えば、ファイバ支持溝５の深さを、第２のシェダー部２Ｂの厚さＫの半分よりも小さくし、グレーティングＦＢＧを第２のシェダー部２Ｂの横面近辺、および／または横面に配置することもできる。湾曲ファイバ部８は、実質的に各シェダー部２Ｂに埋め込まれていることが望ましい。ブラッググレーティングＦＢＧを有する光ファイバ部８は、適切な接着剤、例えば熱硬化樹脂、エポキシ、または他のタイプの接着剤を使用して、各溝５に取り付けることができる。ファイバ支持溝５は、実質的に各ファイバ部を密着して支持するように構成される。
非限定的な一実施の形態では、溝５の幅を約１ｍｍとすることができる。

同様に、アセンブリをモジュール構成とすることもできる。ここで、アセンブリは、複数の渦発生体２を備え、各渦発生体２には、上述したファイバブラッググレーティングセンサの第１のファイバブラッググレーティングＦＢＧが設けられている。この場合、複数の渦発生体２の第１のファイバブラッググレーティングＦＢＧの全てに対して、単純に、単一のファイバ７を設けることができ、ファイバ７は一の渦発生体から別の渦発生体へと延在してセンサ信号を伝達することができる。

ファイバブラッググレーティングセンサの動作自体は、当業者に知られている。一実施の形態では、各ファイバブラッググレーティングＦＢＧは、ファイバ７を通ってグレーティングＦＢＧに伝えられた光信号のある特定の波長を実質的に反射し、他の波長を実質的に透過するように構成されている。ここで、反射光の波長はグレーティングＦＢＧの屈折率の変化に依存する。反射波長は、ブラッグ波長λ_ｂと呼ばれ、以下の式で与えられる。
λ_ｂ＝２ｎ_ｅｆｆΛ ・・・（２）
ここで、ｎ_ｅｆｆはファイバ７における光モード伝播の実効屈折率であり、Λはグレーティング周期である。歪、温度、および圧力は、ファイバの特性を変化させ、これにより、反射波長λ_ｂを変化させることができる。例えば、センサ信号の振幅は、作動中にグレーティングＦＢＧが検知する歪量の測定値である。本実施の形態では、具体的には、反射波長を流速の測定値として利用する。ここで、当該波長の変化を比較的簡単な手法で検出し（すなわち、反射センサ信号の振幅が変化する）、上述したカルマン周波数ｆ_Ｋを検出する。

例えば、ファイバ７は１つ以上のブラッググレーティングＦＢＧを備える標準的な光ファイバであり、最小曲げ半径を約２〜３ｃｍとし、各ブラッググレーティングＦＢＧのグレーティング長さＮを約２ｃｍとすることができる（図５参照）。当業者にはわかるように、ファイバ７を、より小さな曲げ半径および／またはより短いグレーティングをもつようにすることもできる。例えば、第１ファイバブラッググレーティングの長さＮは、約１ｃｍとすることが有利である。

本実施の形態では、第１グレーティングＦＢＧは、主に渦発生体２の歪変化を検出するために用いられる。ここで、結果として得られた各センサ信号の変化は、流体の流速Ｕを検出するために処理される。第１グレーティングＦＢＧは、シェダー２のテール部２Ｂの開始部であって、（切頂三角形の）第２シェダー部２Ａのすぐ後方に配置されることが好ましい。これは、作動中、テールシェダー部２Ｂのこのセクションにおいて、カルマン渦に誘起された歪変化が最も大きくなるからである。

第１グレーティングＦＢＧの全体が、作動中に、実質的に均一に歪むことが好ましく、これは、グレーティングＦＢＧを実質的に流路の長手方向に平行に配置することで実現できる。しかし、実際には、本実施の形態では、正確な計測結果を得るために、ファイバ全体にわたって歪が完全に一定でなくてもよい。これは、測定されたパラメータは、周波数（すなわち、振幅の変化であって、振幅自体ではない）であって、検出された反射信号の振幅変化は、流れ測定の結果に影響を与えないためである。これに対して、特開２００３−８７４５１号公報に開示された装置は、反射信号のセンサ振幅信号が、グレーティングの非均一な歪みによって比較的大きな誤差を生ずる。

本アセンブリは、適当なセンサシステム３（例えば、１つ以上の適当なプロセッサおよび／またはアナライザを備える）、例えばＤｅｍｉｎｓｙｓ Ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ社の市販のシステムを含むことができる。センサシステムは、光ファイバ７と光学的に接続されている。センサシステム３は、光信号を生成し、ファイバ７へ伝達するように構成することができる。この信号は、グレーティングが所定量（例えば歪ゼロ）歪んだ場合に、第１ファイバブラッググレーティングＦＢＧによって少なくとも部分的に反射される波長（すなわち、上述したブラッグ波長）をもつ。アセンブリが異なるブラッグ波長λ_ｂをもつ異なる複数のファイバグレーティングＦＢＧを備える場合、これらの異なるブラッグは長λ_ｂをもつ異なる信号部分で光信号を多重送信することができ、センサシステム３によって、異なる複数のグレーティングＦＢＧを互いに独立して同時に使用することができる。

また、センサシステム３を、渦発生体２の第１ファイバブラッググレーティングＦＢＧのそれぞれによって反射された光信号を検出し、検出した１つ以上の光信号を処理して、検出した１つ以上の信号の変化から流量を測定するように構成することもできる。

図１〜７に示す実施の形態の作動中、流体の流れは、シェダー２において渦放出を引き起こし、これによって鈍頭物体２のテール部２Ｂで圧力変動が起こる。圧力変動によって、テールの振動が誘発され、これにより、テール部２Ｂの表面歪の変動が起きるとともに、一体化された第１ファイバブラッググレーティングＦＢＧの歪変化が発生する（ＦＢＧは、表面歪を測定するために、第２シェダー部２Ｂの各表面上、または表面付近に取り付けられることが望ましい）。これらの振動の結果としての表面歪が測定される。これは、センサシステム３によって、渦発生体２の第１ファイバブラッググレーティングＦＢＧのブラッグ波長をもつ光信号をファイバ７に伝達し、第１ファイバブラッググレーティングＦＢＧによって反射された各光信号を検出することによって、簡単に実現することができる。次に、検出された光信号は、検出信号の変化（この変化は、グレーティングＦＢＧが検知した歪変化の結果である）を検出するために処理され、上述した式１を用いてこれらの変化から流量が算出される。したがって、流路Ｃ内の所定の位置における流量を検出するためには、単一のＦＢＧセンサが用いられ、例えば、異なるグレーティングセンサ信号を複雑に相互相関する必要がない。

図８は、本実施の形態において実施した実験によって測定された、流速に対する渦発生周波数ｆ_Ｋのグラフを示す。この実験では、流路Ｃを流れる流体の流速Ｕ_ｆｌｏｗを１１個の異なる所定の値（０ｍ/ｓから０．２５ｍ/ｓおきに５．５ｍ/ｓまで）に設定し、結果として得られたＦＢＧセンサ信号を処理してカルマン周波数を検出した。図８に示すように、３つの異なるテスト全てにおいて、流速Ｕ_ｆｌｏｗに対する測定周波数ｆ_Ｋが同じ線形グラフとして表された。流速が低速（本実施例では０．５ｍ/ｓ）の場合も、高速（本実施例では５．５ｍ/ｓ）の場合と同様に信頼性の高いデータを得ることができる。

以上説明したように、本発明は、光ファイバ渦流量計１を提供するものであり、一実施の形態において、渦放出による歪をファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）センサを用いて測定することができる。このセンサは、標準的な光ファイバ７の比較的小さなセクションを利用でき、センサ信号が直接表面に与えられるので、油井用の電子回路が不要である。光ファイバ流量計は、本質的に電磁ノイズに強く安全であるという利点がある。鈍頭物体２は実質的にＴ字形状であって、切頂三角形部２Ａと、それに接続された長いテール部２Ｂとを備える。鈍頭物体のテール部２Ｂは、変形を増大し、センサによって歪を測定するために、できる限り薄いことが望ましい。流量計１は、単相流（液体または気体）、例えば水、蒸気、または他の流体を検出することができる。

本実施の形態によって、測定値の線形性と信号の品質に関して最適な鈍頭物体の形状を得られることがわかった。ここで、ＦＢＧによって、比較的大きな流速範囲にわたって検出可能な歪振動情報をもつセンサ信号を得ることができる。したがって、当該センサによって、流量変化に敏感な、正確な流量測定を行うことができる。

また、例えば、本実施の形態のように、実質的にＴ字形状の物体は、歪を発生させるのに最適な鈍頭物体の構成である。鈍頭物体の長方形の板状セクション２Ｂの撓みは、比較的大きい。また、Ｔ字形状の物体は、一連の流量計を１つのファイバに接続するのに使用できる唯一の形状でもある。さらに、この形状によって、作動中に非常に良好なＳＮ比をもつセンサ信号を得ることができる。

更なる実施の形態では、渦発生体２に接合されたファイバ部が、例えば温度を検出するために他のファイバブラッググレーティングを備えるようにすることもできる。一実施の形態では、渦発生体２にファイバブラッググレーティングセンサシステム３，７を構成する第２ファイバブラッググレーティングＦＢＧ２を設け、第２ファイバブラッググレーティングＦＢＧ２が、温度変化を検知すると各ファイバブラッググレーティングセンサ信号を変化させるように構成することができる。このため、第２ファイバブラッググレーティングＦＢＧの長手方向は、流路の長手方向に対して実質的に直交するように延在することが望ましい。

例えば、追加の「第２」グレーティングＦＢＧ２を、カルマン渦Ｖによって実質的に影響を受けないシェダー位置に設置することができる。図５において、温度用グレーティングを配置可能な２つの位置を、矢印ＦＢＧ２で示す。例えば、第２ファイバグレーティングＦＢＧ２を、上述した湾曲ファイバ部８の第１セクション８ａに、または流路壁１１付近の入口位置（また、任意でさらに出口位置）近傍に、設置することができる。

あるいは、アセンブリに別の光ファイバを設け、上述した第１グレーティングを備えず、代わりに第２グレーティングを備え、流体温度を検出するために流体の流れ中に第２グレーティングを配置することもできる。

さらに、更なる実施の形態において、本発明を質量流量測定に用いることもできる。これは、例えば、 H. Zhang氏らによる「A study of mass flow rate measurement based on the vortex shedding principle」（Flow Measurement and Instrumentation 17 (1), 2006）の記載にしたがって、シェダー２の上流に（シェダー２から離間して）配置された 圧力センサ（本明細書では不図示）の測定結果を用いるものである。

本発明の実施の形態を、図面を用いて詳細に説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。当業者には、特許請求の範囲に定義された発明の範囲内で種々の変化や変形が可能である。

本明細書において、「備える（comprising）」という用語は、他の構成やステップを除外するものではないと理解されるべきである。また、冠詞「ａ」および「ａｎ」は、要素が複数である場合除外するものではない。特許請求の範囲における参照符号は、特許請求の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。

シェダー／鈍頭物体２の寸法および形状は、種々の変形が可能である。例えば、第１シェダー部は、実質的に三角形の断面であって、異なる断面形状を有する切頂三角形とすることができる。

また、例えば、鈍頭物体２の第１部２Ａは、必要に応じて、一端のみ、または両端を流路壁１１に取り付けることができる。

さらに、例えば、渦発生体２は第２部２Ｂを備えなくてもよい。一実施の形態として、シェダー２は第１部２Ａ（とくに２つの剥離端ｔを有する）のみを備え、第１部２Ａが少なくとも２つの（第１）ファイバブラッググレーティングＦＢＧを備えるように構成される。

当業者には明らかなように、アセンブリは、シェダー２が完全に流路内に挿入されたとき、または、例えばシェダー２が流路内に部分的（例えば流路直径／断面の約０．２５倍）に挿入された場合に、動作することができる。
前記ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）を利用して、前記渦発生体（２）の表面歪の変化を測定することを特徴とする方法。

Claims (18)

1. 流路と、流量計とを備えるアセンブリであって、
   前記流量計（１）は、前記流路（Ｃ）内に延在する少なくとも１つの渦発生体（２）を備え、各渦発生体（２）は、作動中、前記流路（Ｃ）を流れる流体にカルマン渦（Ｖ）を発生させるように構成され、
   各渦発生体（２）には、ファイバブラッググレーティングセンサ（３，７，ＦＢＧ）の第１ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）が設けられ、
   前記渦発生体（２）によって発生した渦（Ｖ）のカルマン渦周波数（ｆ_Ｋ）は、前記渦発生体（２）の各第１ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）に関するファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）センサ信号を用いて検出可能であることを特徴とするアセンブリ。
2. 請求項１に記載のアセンブリにおいて、
   各渦発生体（２）は、実質的に平行な２つの渦剥離端部を有する鈍頭物体（２）であることを特徴とするアセンブリ。
3. 請求項２に記載のアセンブリにおいて、
   実質的に平行な２つの渦剥離端部を有する第１シェダー部は、前記流路（Ｃ）の壁（１１）に固定されていることを特徴とするアセンブリ。
4. 請求項２または請求項３に記載のアセンブリにおいて、
   流路の長手方向に対して交差する方向について測定した前記２つの渦剥離端部（ｔ）の間の距離（Ｄｂ）は、同じ方向について測定した前記流路（Ｃ）の幅（Ｘ２）の１０分の１、例えば前記流路（Ｃ）の幅の約４分の１よりも大きく、当該距離（Ｄｂ）は、望ましくは前記流路（Ｃ）の幅（Ｘ２）の半分よりも小さいことを特徴とするアセンブリ。
5. 請求項４に記載のアセンブリにおいて、
   流路に交差する方向について測定された前記鈍頭物体（２）の長さは、同じ方向について測定された前記流路（Ｃ）の幅と実質的に等しいことを特徴とするアセンブリ。
6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載のアセンブリにおいて、
   前記第１ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）は、前記各渦発生体（２）の渦剥離面から離間していることを特徴とするアセンブリ。
7. 請求項１から請求項６のいずれかに記載のアセンブリにおいて、
   作動中に、前記第１ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）の長手方向と流体の流れ方向とが成す角度は、９０度より小さく、例えば３０度より小さく、望ましくは５度より小さいことを特徴とするアセンブリ。
8. 請求項１から請求項７のいずれかに記載のアセンブリにおいて、
   前記渦発生体には、作動中に渦誘起圧力変化を受けるように構成された圧力変化作用部（２Ｂ）が設けられ、
   前記各渦発生体の前記ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）は、これらの圧力変化、とくに前記渦発生体（２）の前記圧力変化作用部（２Ｂ）における圧力変化による歪変化を検知するとともに、前記圧力変化を検知すると、各ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）センサ信号が変化するように構成されていることを特徴とするアセンブリ。
9. 請求項８に記載のアセンブリにおいて、
   前記圧力変化作用部（２Ｂ）は、実質的に流路の長手方向に延在し、互いに反対方向を向いた２つの流体圧作用面を有する流体分離部材（２Ｂ）であり、前記２つの流体圧作用面は作動中に渦誘起圧力変化を交互に受けるように構成されていることを特徴とするアセンブリ。
10. 請求項８または請求項９に記載のアセンブリにおいて、
    前記圧力変化作用部（２Ｂ）は、少なくとも部分的に湾曲経路に沿って延在し、前記第１ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）を含む湾曲したファイバ部（８）を一体的に備え、
    前記ファイバ部（８）の第１セクションは、望ましくは、前記渦発生体２の渦放出面とは反対側を向いたシェダー端からわずかな距離において、流路の長手方向に対して実質的に直交する方向に延在し、
    前記ファイバ部（８）の第２セクションは、望ましくは、前記渦発生体（２）の渦放出面近辺に配置され、前記流路の長手方向に実質的に平行に延在することを特徴とするアセンブリ。
11. 請求項８から請求項１０のいずれかに記載のアセンブリにおいて、
    前記渦発生体（２）の前記圧力変化作用部（２Ｂ）は、実質的に長方形で、両側の長手方向流れ制限部から離間した２つの横面を備え、
    前記長方形の渦発生体部（２Ｂ）の各横面と、対応する長手方向流れ制限部との間の距離は、望ましくは約０．１〜１０ｍｍ、とくに約１〜２ｍｍの範囲内であることを特徴とするアセンブリ。
12. 請求項８から請求項１１のいずれかに記載のアセンブリにおいて、
    前記圧力変化作用部（２Ｂ）の厚さは、約１０ｍｍよりも小さく、望ましくは約５ｍｍよりも小さく、とくに約１〜２ｍｍの範囲内であることを特徴とするアセンブリ。
13. 請求項１から請求項１２のいずれかに記載のアセンブリにおいて、
    前記渦発生体（２）の断面は、実質的にＴ字形状であり、
    前記渦発生体は、望ましくは、硬く、耐腐食性の材料、とくにスチールまたは硬質プラスチックから製造されることを特徴とするアセンブリ。
14. 請求項１から請求項１３のいずれかに記載のアセンブリにおいて、
    前記渦発生体（２）には、前記ファイバブラッググレーティングセンサ（３，７、ＦＢＧ）の第２ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）が設けられ、前記第２ファイバブラッググレーティングは、温度変化を検知すると各ファイバブラッググレーティングセンサ信号を変化させるように構成され、
    前記第２ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）の長手方向は、流路の長手方向に対して実質的に直交するように延在することを特徴とするアセンブリ。
15. 請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載のアセンブリにおいて、
    離間された複数の渦発生体２を備え、各渦発生体（２）には、前記ファイバブラッググレーティングセンサ（３，７，ＦＢＧ）の上記第１ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）が設けられ、
    単一のファイバ（７）に、これらの第１ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）が設けられていることを特徴とするアセンブリ。
16. 請求項１から請求項１５のいずれかに記載の前記アセンブリからなる流量計であって、
    作動中、少なくとも１つの渦発生体（２）によって発生した渦（Ｖ）のカルマン渦周波数（ｆ_ｋ）を、渦発生体（２）の各第１ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）に関する各ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）センサ信号を用いて検出することによって、流路内の流速を測定するように構成されていることを特徴とする流量計。
17. 流路（Ｃ）を流れる流体の流速を測定する方法であって、
    前記流路（Ｃ）内に少なくとも１つの渦発生体（２）を設置し、各渦発生体（２）は、前記流路（Ｃ）を流れる前記流体に、各渦放出端からカルマン渦（Ｖ）を発生させ、
    前記渦発生体（２）に、少なくとも１つの第１ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）を有するファイバ（７）を設置し、前記グレーティングは、前記グレーティングが受ける歪の量に応じて所定の波長の光信号を反射するように構成され、前記カルマン渦（Ｖ）から生じる流体圧力変化によって、各ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）が受ける歪が変化し、
    光信号を前記ファイバ（７）へ伝達し、前記信号は、前記グレーティングが所定量の歪、例えば歪ゼロを受けた場合に、前記第１ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）によって少なくとも部分的に反射される波長をもち、
    前記渦発生体（２）の前記第１ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）によって反射された光信号を検出し、
    前記検出された信号を処理し、前記検出信号の変化から流速を測定することを特徴とする方法。
18. 請求項１７に記載の方法において、
    前記ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）を利用して、前記渦発生体（２）の表面歪の変化を測定することを特徴とする方法。

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