JP2014524566A - 2相流におけるガス含有量を測定するための多電極センサ - Google Patents

2相流におけるガス含有量を測定するための多電極センサ Download PDF

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Abstract

本発明は、流通管を循環している2相流のガス含有量を測定するためのセンサであって、流通管内において流体の流れ(F)に配置できるスリーブ(10)を備えているセンサに関する。このセンサのスリーブ(10)は、一対にてこのスリーブ(10)の流れの領域の複数の分割空間(A〜D)を定める複数の測定電極(1〜5)を備えている。さらにセンサは、スリーブ(10)の各々の分割空間(A〜D)の測定状態と非測定状態との間での切り換えを制御するために測定電極(1〜5)へと接続される切換測定部材(50)を備える。切換測定部材(50)は、各々の分割空間(A〜D)の状態を互いに別々に選択可能に切り換えるように構成されている。
【選択図】 図1

Description

本発明は、例えばロケットまたは他のエンジンなどのあらゆる産業上の用途において、設置された流通管を流れる2相流体のガス含有量を測定するためのセンサの分野に関する。
液体中に存在するガスの体積分率を知ることは、多数の応用を有しており、とくに航空宇宙の分野における応用を有している。
例えば、ロケットエンジンのターボポンプに、極低温の推進剤、とくに液体水素および液体酸素が供給される。ポンプへの入口において、液体におけるガスの存在が、流体の流れを乱し、ターボポンプのレーシングにつながりかねないキャビテーション現象を引き起こす恐れがある。したがって、送り込まれる推進剤におけるガスの存在を識別および測定できることが、そのような用途の背景においてきわめて重要である。
管内を流れる2相流体の流れにおいて、管内への配置に適した2つの電極を有する従来型の容量センサが公知である。2つの電極のうちの第1の電極が、円筒コアの形態の陽極を構成し、他方の電極が、管の弧の一部分を形成する陰極を構成する。
そのような従来型の容量センサは、陰極と陽極との間で管内を流れる2相流体の比誘電率(または、誘電定数)を測定するように構成され、流体の液相に存在するガスの体積分率を測定することを可能にする。
より正確には、流体の誘電定数は、流体の屈折率に直接依存する。一般に、気体の状態の流体の屈折率が、液体の状態にあるときの同じ流体の屈折率からわずかに異なることが明らかにされており、したがってこれら2つの屈折率を前もって知っておき、流通ダクトに配置された上述のような容量センサを使用して2相の状態で流れる流体の誘電定数を測定することで、流体の液相に存在する気泡の含有量を測定することが可能になる。
しかしながら、このような従来型のセンサによって測定される気泡の含有量は、センサが設置された管部分の流れの断面に形成される気泡の真の含有量と比べて不正確である。
これは、このような従来型のセンサによって測定される気泡の含有量が、センサの流れの断面の全体にわたって平均された含有量に相当し、したがって測定される含有量では、きわめて局所的に生じる可能性がある気泡の急増を検出できない場合に、とくに問題になる。
結果として、所与の流れの断面において形成される気泡の平均および局所的な含有量を正確に測定することができるセンサの開発が、緊急に必要とされている。
本発明は、そのようなセンサの提供を提案する。
より正確には、本発明の意味するセンサは、流通管内における流体の流れへの配置に適したスリーブを備え、前記流通管を流れる2相流体のガス含有量を測定することを可能にする。当該センサの前記スリーブは、お互いから離されかつお互いに揃えられた複数の測定電極を、該測定電極の一対(ペア)が該スリーブの流れの断面を分割する複数の分割空間を定めるように、備える。当該センサは、前記スリーブの各々の分割空間を測定状態と非測定状態との間で切り換えるような方式で、前記測定電極に接続される切換測定部材をさらに備え、前記測定状態においては、前記部材は、対象とする分割空間を定めている2つの隣り合う測定電極の間に励起電気信号を印加し、該励起電気信号を印加することからもたらされる受信電気信号を代表する値を、該代表値に関連付けられた流体のガス含有量を測定するために、測定する。前記切換測定部材は、前記分割空間の各々の状態を互いに独立して選択的に切り換えるように、構成される
このようにして、センサのスリーブが、このスリーブの流れの断面を2つ以上の分割空間に分割することを可能にする3つ以上の測定電極を有し、これらの空間が、測定電極の一対によって定められる電極間空間に相当することを、理解できるであろう。
したがって、所与の流れの断面において、他のすべてが同じままであるとすると、本発明のセンサのスリーブにおける電極間距離は、電極が2つである上述の形式の従来型のセンサと比べて小さく、したがって信号をより良好な信号対雑音比にて測定することが可能になり、したがってより正確な信号を測定することが可能になる。
さらに、センサにより多くの測定電極を備えることからもたらされる複数の分割空間の存在が、本発明においては、分割空間のうちのただ1つまたは一部においてのみ局所的に形成される気泡の含有量を正確に測定できるよう、センサのスリーブの分割空間の各々について任意かつ独立した様相で実行することができる測定および非測定状態の間の切り換えによる空間の選択に、好都合に利用される。
さらに、対象とする分割空間が非測定状態になることを保証するために、とくに切換測定部材を、この対象とする分割空間を定めている2つの隣り合う測定電極の間の電気的な励起の確立を防止するように構成することができる。
対象とする分割空間が非測定状態になることを可能にするために、いくつかの選択肢を使用することができる。
それゆえに、第1の好都合な選択肢においては、前記切換測定部材は、対象とする分割空間を非測定状態にするために、該空間を定めている2つの隣り合う測定電極に同じ電位を印加する。
このように、分割空間が非測定状態である限りにおいて、この分割空間を定めている2つの測定電極の端子間の電位差は、ゼロの値に保たれることを理解できるであろう(実際には、この電位差は、センサが取り付けられる切換測定部材を使用する場合、可能な限りゼロに近い値に保たれる)。
結果として、前記2つの隣り合う測定電極は、電気的な励起がこれら2つの電極間に確立されることを防止する状態に強制的に保持される。
他の好都合な選択肢においては、前記切換測定部材は、対象とする分割空間を非測定状態にするために、該空間を定めている2つの隣り合う測定電極の間のすべての電気的接続を遮断する。
そのような状況においては、分割空間が測定状態になるときに、この空間を定めている2つの隣り合う測定電極の間に電気的な励起を確立させることができるよう、切換測定部材が、この電気的接続を再び確立させることができる。
好都合には、励起電気信号は、定常状態のもとで周期的に変化する電圧であり、好ましくは平均値がゼロである。とくに、正弦波、矩形波、三角波、パルス列、などの波形を有する電圧を使用することが可能である。
そのような状況においては、前記励起電気信号の印加からもたらされる受信電気信号(または、応答信号)も周期的に変化し、振幅および/または周期および/または位相が、対象の分割空間を流れている流体の誘電定数に応じて励起電気信号からずれる。
しかしながら、本発明の背景において、対象の分割空間を定めている2つの隣り合う測定電極の間に可変の電圧を加えることも可能であり、この電圧は、励起電気信号によって少なくとも或る所与の時間期間において対象の分割空間の2つの測定電極の間で電荷の移動が生じることで、対象の分割空間を流れている流体の誘電定数の測定が可能になりさえすれば、非定常の状態下で可変であっても、あるいは固定された電圧であっても、もしくは任意の他の種類の信号であってもよい。
さらに、切換測定部材は、好都合には、この部材によって測定される前記代表値が、対象の分割空間を定めている2つの測定電極の間に励起電気信号を加えることからもたらされる受信電気信号だけを代表するような方式に、設定されることができる。
したがって、前記代表値は、隣の分割空間を流れている流体のガス含有量の影響を、この隣の空間の切り換えの状態がどのようであっても被ることがないことを、理解できるであろう。
好都合な選択肢においては、切換測定部材は、前記代表値が、対象の分割空間を定めている2つの隣り合う測定電極の間に励起電気信号を印加することからもたらされる受信電気信号を代表する第1の成分を、この対象の空間に隣接する何らかの他の分割空間を定めている2つの隣り合う測定電極の間に加えることができる任意の励起電気信号の印加からもたらされる受信電気信号を代表する第2の成分とともに有するように、設定されることができる。
例えば、これは、前記対象の分割空間および前記隣接する空間に共通の測定電極と、固定の電位(とくに、接地電位)にあるセンサの配線に接続された2端子の回路(好ましくは、抵抗回路)の端子において、前記代表値を測定することによって行なうことができる。
そのような状況のもとでは、定常状態のもとで周期的に変化する励起電気信号を加えることが選択される場合に、前記2端子の回路の端子において測定される前記代表値は、回路のインピーダンスに対応する。
好都合には、前記切換測定部材は、測定サイクルの間に少なくとも1回、前記分割空間のうちの少なくとも1つの状態を順に切り換える。
したがって、切換測定部材がセンサのスリーブの分割空間の各々を互いに独立に切り換えることができるという事実を利用して、これらの分割空間のうちの少なくとも1つについて、状態間の1回以上の順次の切り換えが行なわれる測定サイクルを定めることができることを、理解できるであろう。
そのような状況のもとでは、そのような測定サイクルにおいて実行されるべき任意の切り換え順序を定めることが可能である。
例えば、前記分割空間の各々にとって、測定サイクルの間に少なくとも1回、測定状態になることが好都合かもしれない。
そのような状況のもとでは、測定サイクルにおいてセンサのスリーブの分割空間の各々を走査することができ、したがって前記スリーブの流れの断面における気泡の分布の正確なマップを確立することができる。
同様に、測定サイクルの間に、前記分割空間のうちの少なくとも第1の分割空間が測定状態になる一方で、該第1の分割空間に隣接する別の(好ましくはそれぞれの)分割空間が非測定状態になるという、少なくとも一つの形態になることが好都合かもしれない。
この構成は、上述のように、切換測定部材は、切換測定部材によって測定される代表値が前記第1の分割空間および前記隣の分割空間のそれぞれに関する受信電気信号を代表する第1および第2の成分を含むように構成される場合に、とくに好都合である。この構成のセンサにおいて、測定される代表値の前記第2の成分は、前記隣の分割空間のこの非測定状態において、ゼロである(実際には、切換測定部材において可能である範囲においてできるだけゼロに近い)。結果として、測定される代表値は、前記第1の分割空間を流れる流体の誘電定数を直接得ることを可能にし、その際に、前記他の分割空間を流れる流体のガス含有量は、前記代表値の測定にいかなる影響も有さない。
さらに、測定サイクルの第1の時間期間において、分割空間のうちの少なくとも第1の分割空間が測定状態となる一方で、この第1の分割空間に隣接する第2の分割空間が非測定状態となり、前記サイクルの(前記第1の時間期間の前または後の)第2の時間期間において、少なくとも前記第1の空間が測定状態のままである一方で、前記第2の空間が測定状態となることが、好都合かもしれない。
そのような状況のもとでは、前記第1の空間または前記第2の空間に隣接する各々の分割空間は、第1および第2の時間期間において不変に測定状態または非測定状態(好ましくは、非測定状態)のままであることが好ましい。
したがって、前記第1の分割空間に関する代表値が、上述のように前記第1および第2の分割空間のそれぞれに関係する受信電気信号を代表する第1および第2の両方の成分を含むようにさらに選択される場合、この代表値は、第1の時間期間において前記第1の空間を流れる流体の誘電定数の測定を可能にする一方で、第2の時間期間においては、前記第1および第2の空間を合わせることによって構成される複合空間を流れる流体の誘電定数の測定を可能にする。
このような状況において、前記第2の分割空間を流れる流体の誘電定数は、第1の時間期間において得られた誘電定数を第2の時間期間において得られた誘電定数から引き算することにより、2つの先行の測定値から好都合に導き出されることができる。
このように、切換測定部材が、第1および第2の分割空間について共通に使用され、とくに前記第1の分割空間および特に前記第2の分割空間に形成される気泡の含有量を測定することは、サイクルの前記第1および第2の時間期間の間で切り換えられる状態のわずか1回の変更(すなわち、前記第2の空間の状態の変更)しか必要とせずに可能にする測定回路を、好都合に備えることができることを、理解できるであろう。
好都合には、分割空間のうちの少なくとも第1の分割空間について、測定サイクルの間に測定状態となる回数は、分割空間のうちの少なくとも1つの他の分割空間よりも多い。
これにより、センサの特定の分割空間(問題になりにくいと考えられるセンサの他の空間と比べて、より気泡が形成されやすいと思われる空間)をより注意深く監視することが可能になることを、理解できるであろう。
好都合には、測定サイクルは、繰り返し実行され、好ましくは周期的に実行される。
これにより、センサのスリーブの1つ以上の分割空間について、気泡の空間分布の変化が追跡できることを、理解できるであろう。
好都合には、当該センサの前記スリーブは、前記測定電極の端部を延長する一方そこから電気的に分かれているガード電極を備え、該ガード電極は、該ガード電極がそれぞれ延長している前記測定電極と常に同じ電位であるような方式で、前記切換測定部材へ接続される。
これらのガード電極は、電極間距離が測定電極の寸法と比べて無視できない場合に、測定電極に加えられる電気的な励起への測定電極の応答に大きな影響を及ぼしかねないエッジ効果を防止するように機能することを、理解できるであろう。
さらに、測定の精度を改善するために、安定に変化する条件下の励起電気信号でセンサの測定電極を励起することが選択される場合、ガード電極へと加えられる電位の周波数、位相、および振幅は、それぞれのガード電極によって延長されるそれぞれの測定電極の電位の周波数、位相、および振幅と常に同一であるように保証されることが好ましい。
好都合には、センサは、随意により、測定電極を互いに離されかつ互いに位置合わせされた状態に保持するために、測定電極との協働に適した1つ以上の構造要素を備えることができる。
好都合には、前記測定電極は、少なくとも部分的に電気絶縁性の材料、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTEF)、で作られたスペーサによって、互いに離される。
好都合には、センサの各々のスリーブは、これらのスペーサによってそれぞれの測定電極を延長するように互いに離された状態に保持されてよいガード電極をさらに備える。
好都合には、前記スペーサは、前記測定電極(もしあれば、それらのガード電極も)と前記切換測定部材との間の接続をもたらすために接続配線が挿入される通路を備える。
これにより、結果として、センサのスリーブは、流体の流通管に好都合に配置されることができる(例えば、随意により、この流通管の管部分の内側に配置することができ、あるいは2つのそのような管部分の間に配置することができる)一方で、切換測定部材は、センサのユーザにとってより容易にアクセス可能になるように、前記流通管の外部において前記流通管から離して配置されることに適する。
さらに、測定電極(もしあれば、それらのガード電極も)は、一対にてセンサのスリーブの流れの断面を分割する複数の分割空間を定めるように機能すべく、互いに間隔を開けかつ互いに揃えられて広がることができさえすれば、任意の適切な形状をとってよい。
例えば、前記測定電極(もしあれば同様に、それらのガード電極も)は、好都合には、平面であり、互いに平行にしてもよい。
この技術的解決策は、流通管の流れの断面が矩形である場合に、好都合となることが分かっている。
流通管に使用される管部分の大多数の断面が円形であることに鑑みてとくに好都合である選択肢においては、前記測定電極(やはり同様に、もしあればそれらのガード電極も)は、同軸であり、共通の軸周りでお互いを囲んでおり、この共通の軸に対して垂直な断面において円形である断面を有してもよい。
そのような状況のもとでは、測定電極(やはり同様に、もしあれば測定電極のガード電極も)は、円錐台形または円筒形になるように選択されることも好都合に可能である。
好都合には、前記断面の平面において、2つの隣り合う測定電極(もしあれば、対応するガード電極も)の直径の比は、これらの測定の正確性を増すように、1.1〜3.0の範囲にあり、好ましくは1.4〜2.0の範囲にある。
本発明の発明者は、自らが行なった理論計算、実験作業、および莫大なデジタルシミュレーションの結果として、流体について測定される誘電定数は、局所的な気泡の形成の位置の測定電極の共通の軸に対する径方向の距離の関数として、気泡の所与の含有量およびサイズについて非線形な様相でも変化することを発見した。
また、本発明の発明者は、この現象が、基本的に、気泡が閉じ込められるスリーブの環状の空間の体積に対する気泡によって占められる相対の体積が、気泡の形成の位置が径方向においてセンサのスリーブの共通の軸に近いほど大きくなることに、起因することを、突き止めることができた。
このようにして、本発明の発明者は、前記断面の平面における2つの隣り合う測定電極の直径の比をとくに1.1〜3.0の範囲にすることによって、流体の実験による誘電定数のこの径方向の依存性を補償可能にする技術的解決策を見出した。
好ましくは、直径の前記比は、測定の精度をさらに高めるために、より具体的には1.4〜2.0の範囲にある。
さらに、本発明の意味において、センサのスリーブは、3つ以上の任意の数の測定電極(例えば、3つ、4つ、5つ、6つ、または7つ以上)を有することができる。
所与の流れの断面において、その他が同じままであるならば、センサのスリーブにおける測定電極の数が多いほど、このスリーブの電極間距離が小さくなり、したがって得られる測定の精度が高くなることを、理解できるであろう。
しかしながら、センサの構造が依然として実現容易かつ安価であることを保証するために、センサのスリーブは、3〜6個の測定電極を有することが好ましい。
測定電極が回転体であるセンサを使用する場合、センサのスリーブの2つの一番端の測定電極(すなわち、互いに最も遠く離れている2つの測定電極)の間の断面の平面における直径の比は、好都合には、前記スリーブの測定電極の数の関数として、5〜20の範囲であってよい。
さらに、測定電極の共通の軸に沿った測定電極の軸方向の長さについて、この共通の軸から最も遠い測定電極の直径に対する比は、0.25〜1の範囲にあると好都合である。この値の範囲は、測定精度の最適化と、流通管におけるスリーブの存在によって引き起こされる流れの乱れの最小化との間に、良好な妥協をもたらす。
あくまでも本発明を限定するものではない例として提示される実施の形態の以下の詳細な説明を検討することによって、本発明をよりよく理解することができ、本発明の利点がさらに明らかになる。説明においては、添付の図面を参照する。
図1は、本発明によるセンサのスリーブを示す斜視図である。 図2は、図1に示した前記スリーブの平面図である。 図3は、図2の平面III−IIIにおける前記スリーブの断面図である。 図4は、図2に示した平面IV−IVにおける前記スリーブの断面図であり、流通管の管部分へのスリーブの取り付けの可能性を示している。 図5は、前記スリーブの測定電極のうちの1つを、この電極の2つのガード電極とともに示した斜視図である。 図6は、本発明による切換測定部材に接続された前記スリーブの概略図である。
本発明によるセンサは、スリーブ10と、切換測定部材50とを備えている。
図1〜図4に、本発明によるスリーブ10の実施の形態(ただし、これに限られるわけではない)が示されている。
図示の実施の形態においては、センサのスリーブ10は、互いに間隔を開けつつ揃えられて配置され、ペアにて前記スリーブ10の流れの断面を分割する4つの分割空間A〜Dを定めている5つの測定電極1〜5を有している。
測定電極1〜5は、同軸であり、スリーブ10の軸方向を定めている共通の軸周りでお互いを囲んでおり、前記共通の軸に垂直な断面において円形の断面を有している。
測定電極1〜5は、円筒形の回転体である。
スリーブ10の流れの断面を定めているスリーブ10の外側本体は、スリーブ10の外側本体の回転軸としての前記共通の軸周りにおおむね円筒形であるように、前記共通の軸から最も遠い測定電極1を形成している。
前記共通の軸に最も近い測定電極5は、円筒形の中心コア(完全に中身が詰まっていても、完全に中空であっても、あるいは図3に示されるように単に部分的に中空であってもよい)を構成している。
残りの3つの測定電極2、3、および4は、スリーブ10の外側本体と中心コアとの間を同軸に延びてお互いを囲む円筒形のリングをそれぞれ構成する中間測定電極である。
この実施の形態においては、5つの測定電極1〜5の各ペアによって定められてスリーブ10の流れの断面を分割する4つの空間A〜Dは、円筒形の回転の体積を形成する環状の空間である。
図示の実施の形態においては、前記断面における2つの隣接する測定電極の直径の比は、1.1〜3.0の範囲、好ましくは1.4〜2.0の範囲にあり(2つのうちの大きい方の直径を比の計算において分子に配置し、2つのうちの小さい方の直径を前記計算の分母に配置する)、実際に、さらに詳しくは1.5〜1.9の範囲にあってもよい。
とくに、この実施の形態において、第1の測定電極1の内径(すなわち、スリーブ10の外側本体の内壁の直径)は、121ミリメートル(mm)になるように選択される一方で、第2の測定電極2の外径は、80mmであり、したがって第2の測定電極2に対する第1の測定電極1の直径の比は、約1.5である。
さらに、この実施の形態において、第2の測定電極2の内径は、76mmになるように選択される(すなわち、この実施の形態における第2の電極は、2.0mmという径方向の厚みを有する)一方で、第3の測定電極3の外径は、50mmであり、したがって第3の測定電極3に対する第2の測定電極2の直径の比は、約1.5である。
同様に、この実施の形態において、第3の測定電極3の内径は、47mmになるように選択される(すなわち、この実施の形態における第3の電極は、1.5mmという径方向の厚みを有する)一方で、第4の測定電極4の外径は、30mmであり、したがって第4の測定電極4に対する第3の測定電極3の直径の比は、約1.6である。
最後に、この実施の形態において、第4の測定電極4の内径は、28mmになるように選択される(すなわち、この実施の形態における第4の電極は、1.0mmという径方向の厚みを有する)一方で、第5の測定電極5の外径(すなわち、中央コアの外径)は、15mmであり、したがって第5の測定電極5に対する第4の測定電極4の直径の比は、約1.9である。
さらに、この実施の形態においては、結果として、第5の測定電極5の外径に対する第1の測定電極1の内径の比(すなわち、センサのスリーブ10の一番端の2つの測定電極の直径の比)は、約8.1であり、すなわち上述の好ましい範囲の5〜20にある。
加えて、この実施の形態においては、測定電極の共通の軸に沿った軸方向の長さ(この実施の形態においては、中間測定電極2〜4の軸方向の両端の間の距離に相当)は、55mmになるように選択され、したがって第1の測定電極1の内径に対する前記軸方向の長さの比は、約0.5であり、すなわち上述の好ましい範囲の0.25〜1にある。
各々の測定電極1〜5は、導電性の材料で製作される。したがって、とくに真ちゅう、あるいは実際にはステンレス鋼を選択することが可能であり、スリーブは、例えば20Kに近い温度の液体水素(LH2)の流れを運ぶ配管など、極低温の流通管に組み込まれる場合には、ステンレス鋼が推奨される。
とくに図4に示されるように、センサのスリーブ10は、流体が流れる任意の流通管の流体の流れFへの配置に適している。
この実施の形態においては、スリーブ10は、流通管の一部を形成する管部分60の内部への配置に適している。
スリーブ10の外側本体は、第1の固定要素を有しており、この第1の固定要素は、スリーブ10を管部分60に固定するために管部分60の一部を形成している第2の固定要素との協働に適している。
とくに、スリーブ10の外側本体は、管部分60の内壁に形成された第2の固定要素を構成している段部66への当接に適した第1の固定要素としてのフランジ14を有しており、段部66に係合するようにフランジ14に配置された貫通穴16(とくに、図1および図2を参照)への受け入れに適したねじ(図示されていない)によって、スリーブ10を管部分60へと固定することができる。
管部分60は、流通管の一部分を形成する2つの他の管部分(図示されていない)の間への配置に適するような方式で、管部分60の軸方向の両端の各々にそれぞれ形成された2つのフランジ62および64を有している。
図示の実施の形態の好都合な代案においては、本発明の範囲を超えることなく、センサのスリーブの外側本体そのものが、流通管の2つの他の管部分の間への直接配置に適した管部分を形成してもよい。この代案は、流通管の内部にセンサのスリーブが存在することによって引き起こされる流れの規制を、軽減することを可能にする。
その場合、スリーブの外側本体は、好都合には、上述の管部分60の一部を形成するフランジ62および64に類似した2つのフランジを有することができる。
さらに、とくに図2および図3に示されるように、スリーブ10の測定電極1〜5は、全体が電気絶縁性の材料(とくにはPTFE)で作られておおむねフィンの形態であるスペーサ20によって、互いに離されている。
より詳しくは、スリーブ10は、スリーブ10の上流端に4つの第1のスペーサ20を有しており、これら4つの第1のスペーサ20は、中央コアとスリーブ10の外側本体との間を互いに90°に位置する4つのそれぞれの径方向に延びるように、中央コアを中心にして十字に配置されている。
さらに、スリーブ10は、前記4つの第1のスペーサに類似しており、中央コアとスリーブ10の外側本体との間を前記4つの第1のスペーサの径方向と同じ4つの径方向にそれぞれ延びているスリーブ10の下流端の4つの別のスペーサ20を有している。
各々のスペーサ20は、中央コアおよびスリーブ10の外側本体1への固定のために、これらのスペーサ20に存在する穴を通過する保持ロッド30によって位置決めされている。
図示の実施の形態においては、各々の保持ロッド30の両端にねじ山が設けられ、中央コアのタップ穴へのねじ込みによって中央コアへの取り付けを可能にするとともに、保持ロッドをスリーブ10の径方向に外側本体1の外側へと突出させることができるように外側本体1に存在する貫通穴の縁において外側本体1の外壁に当接するナット31との螺合によって、外側本体1への取り付けを可能にしている。
各々のスペーサ20は、中央コアに当接する。
さらには、とくに測定電極3について図5に示されているように、各々の中間測定電極2〜4の軸方向の両端(すなわち、この電極の軸方向に離れている2つの端部)は、等間隔で放射状に位置した4つの切り欠きを有しており、前記4つの下流側のスペーサおよび前記4つの上流側のスペーサのそれぞれは、前記測定電極2〜4をこれらに面する他の測定電極1〜5からスリーブの径方向に離して保持するために、前記4つの切り欠きへの係合に適している。
さらに、図3〜5に示されるとおり、センサのスリーブ10は、測定電極2〜4から電気的に離れつつ測定電極2〜4の端部を延長するガード電極2a〜4aおよび2b〜4bを有している。
より詳しくは、3つの中間測定電極2〜4の軸方向の両端(すなわち、スリーブ10の上流側および下流側の端部に位置する測定電極2〜4の端部)は、上流側の端部に位置する3つのそれぞれのガード電極2b〜4bおよび下流側の端部に位置する3つのそれぞれのガード電極2a〜4aによってスリーブの軸方向に或る距離だけ延ばされている。
これらの上流側のガード電極2b〜4bは、スペーサ20の端部(前記中間測定電極2〜4が取り付けられる端部に対してスリーブ20の軸方向反対側に位置する端部)においてスペーサ20の上流側へと固定されることによって、これらの上流側のガード電極2b〜4bによって延ばされる中間測定電極2〜4から電気的に分かれている。
同様に、前記下流側のガード電極2a〜4aは、スペーサ20の端部(前記中間測定電極2〜4が取り付けられる端部に対してスリーブ10の軸方向反対側に位置する端部)においてスペーサ20の下流側へと固定されることによって、これらの下流側のガード電極2a〜4aによって延ばされる中間測定電極2〜4から電気的に分かれている。
これを行なうために、とくに中間測定電極3の2つのガード電極3aおよび3bについて示されているように、各々のガード電極2a〜4a、2b〜4bの軸方向の両端のうちの一方は、等間隔で放射状に位置した4つの切り欠きを有しており、対応する4つのスペーサ20のそれぞれは、前記ガード電極を測定電極からスリーブ10の軸方向に離し、かつ、このガード電極に揃えられた他のガード電極からスリーブ10の径方向に離して保持するために、前記4つの切り欠きへの係合に適している。
ガード電極2a〜4aおよび2b〜4bは、導電性の材料で作られ、例えば真ちゅうで作られ、好ましくはスリーブ10が極低温の流体を通す場合にはステンレス鋼で作られる。
図示の実施の形態においては、これに限られるわけではないが、スリーブ10の径方向において互いに最も離れた2つの測定電極1および5(すなわち、それぞれスリーブ10の外側本体および中央コア)は、互いに電気的に接続され、固定の電位(とくには、接地電位)にあるセンサの配線へと電気的に接続される。
この実施の形態においては、保持ロッド30は、導電性の材料、とくには真ちゅうまたはステンレス鋼で製作され、中央コアへの係合およびナット31(やはり導電性の材料、とくに真ちゅうまたはステンレス鋼で製作される)を介したスリーブ10の外側本体1への接続によって、中央コアとスリーブ10の外側本体1との間の電気的接続を確立させる。
図示の実施の形態においては、これら2つの一番端の電極1および5は、測定電極およびガード電極の両方として機能する。
図示の実施の形態においては、外側本体1は、ワンピースにてもたらされる。
図示の実施の形態においては、中央コアは、この中央コアを形成するように一体に組み立てるために適した複数の別々のセグメントへと軸方向において分割されている。
図3に示されている実施の形態においては、中央コアは、測定電極5そのものを構成し、上流側の保持ロッド30が取り付けられる第1のセグメント5と、下流側の保持ロッド30が取り付けられる第2のセグメント5aと、軸方向において前記第1および第2のセグメントの間に介装された(随意による)シムと、第2のセグメント5aの穴を通過して第1のセグメント5のタップ穴に係合するために適した組み立てねじ12とを有している。
しかしながら、本発明の範囲を超えることなく、中央コアをワンピースとして設けることも可能であると考えられる。
さらに、とくに図3および図4に示されるとおり、スペーサ20は、測定電極1〜5と後述される切換測定部材50との間の接続、ならびにガード電極2a〜4aおよび2b〜4bと前記切換測定部材50との間の接続の両方をもたらすために、接続配線40が挿入される通路25を有している。
とくに、各々のスペーサ20の通路25は、このスペーサ20の少なくとも一部分を通過し、スリーブ10の分割空間A〜Dに位置する複数の場所に開いている。
さらに、スリーブ10の外部からもたらされる各々の接続配線40は、外側本体1(とくに、ナット31が取り付けられる場所の近く)に形成された開口を通過することによってこの本体1の内側へと通過し、該当のスペーサ20の該当の通路25の内側へと進入し、最終的に、接続先の測定電極またはガード電極の近くでそれぞれの分割空間A〜Dへと進入する。
さらに、好都合には、センサのスリーブ10を構成する要素のうちの少なくとも1つは、スリーブ10の入口および/または出口における流れの損失水頭を最小にするために、流線形にされることができる。
図示の実施の形態においては、中央コアの軸方向の両端の少なくとも一方、とくにスリーブ10の上流側の端部に位置する端部(図1において参照番号5bが付されている)は、丸みを帯びた形状である。
各々のガード電極2a〜4aおよび2b〜4bの軸方向の端部(このガード電極によって延ばされる測定電極2〜4の端部から軸方向において遠い端部)は、この実施の形態においては、やはり流線形の形状である。
さらに、とくに図1に示されるように、少なくともスリーブ10の上流側の端部に位置するスペーサ20も(とくに、スリーブ10の下流側の端部に位置するスペーサ20も)、流線形とされている。
とくに、各々のスペーサ20は、実質的に三角形の断面であって、頂点は、このスペーサ20の延在の方向を代表する径方向の平面に整列しており、先端は、測定電極2〜4が位置する端部から遠ざかるように軸方向を向いている。
次に、工場におけるセンサのスリーブ10の組み立てに関係する種々の工程を説明する。
第1の工程は、外部からの接続配線40をスリーブ10の外側本体1の開口に通すことからなる。
各々のスペーサ20について、第2の工程は、このスペーサ20の通路25に沿ってそれぞれの接続配線40を通し、配線40が分割空間A〜Dのうちのこの配線に関係する1つへと進入させることができるよう、各々の接続配線40を前記通路25の開口部のうちの該当の1つを通って出すことからなる。
第3の工程は、4つの第1の保持ロッド30をスリーブ10の4つの上流側スペーサ20にそれぞれ通し、これらのロッド30を中央コアの第1のセグメント5へとねじ込み、さらに対応するナット31を外側本体1に対してねじ込むことからなる。
第4の工程は、第3の中間測定電極4をスリーブ10へと挿入して固定し、関連のガード電極4bをスリーブ10の上流側の端部に挿入して固定し、関連のスペーサ20から進入する該当の接続配線40を接続することからなる。
第5の工程は、第4の工程を第2の中間測定電極3およびその関連の上流側のガード電極3bについて繰り返し、次いで第1の中間測定電極2およびその関連の上流側のガード電極2bについて繰り返すことからなる。
第6の工程は、中央コアのシムを中央コアの第1のセグメント5に対して配置し、第2のセグメント5aを配置し、これら2つのセグメントをねじ12によって一体に固定することからなる。
第7の工程は、4つの最後の保持ロッド30をスリーブ10の4つの下流側スペーサ20の内側にそれぞれ通し、これらのロッド30を中央コアの第2のセグメント5aへとねじ込み、対応するナット31を外側本体1に対してねじ込むことからなる。
最後の工程は、スリーブ10の3つの下流側のガード電極2a〜4aを、第4および第5の工程について説明した方式と類似の方式で、所定の位置に配置することからなる。
次に、本発明による切換測定部材50について説明する。
図示の実施の形態においては、センサは、容量センサである。
この実施の形態においては、流通管を流れる流体は、電気絶縁性の2相流体である。
図6に示されるように、切換測定部材50は、互いに別々であり、随意によりスリーブ10の1つ、複数、または各々の測定電極へと(とくに、3つの中間測定電極2〜4へとそれぞれの接続配線40を介して)接続することができる1つ以上の容量コンディショナ(具体的には、3つのコンディショナ51〜53)を備えている。
各々のコンディショナ51〜53は、第1の電圧V1をもたらす第1の電圧発生器と、第1の電圧V1から独立しているが、常に第1の電圧V1と同一である第2の電圧V1’をもたらす第2の電圧発生器とを有している。
とくに、第1の発生器は、第1の発生器がもたらす第1の電圧V1が周波数f1、振幅A1、および位相P1の定常状態のもとで可変であるように構成される。
同様に、第2の発生器は、第2の発生器がもたらす第2の電圧V1’が周波数f1’、振幅A1’、および位相P1’の定常状態のもとで可変であり、以下の3つの条件、すなわちf1’=f1、A1’=A1、およびP1’=P1を常に満たすように構成される。
さらに、各々のコンディショナ51〜53は、下記の間の切り換えを行なうように構成されたスイッチ回路を有している。
・このコンディショナが第1の出力に第1の電圧V1をもたらし、第2の出力に第2の電圧V1’をもたらす第1の状態E1。
・このコンディショナの第1および第2の発生器が短絡させられ、結果として前記第1および第2の出力の両方が、このコンディショナの固定の電位V0に相当し、とくにセンサの接地に相当する短絡電圧をもたらす第2の段階E0。
さらに、各々のコンディショナ51〜53は、前記第1の発生器によってもたらされる電流を測定するための回路を有している。
さらに、コンディショナ51〜53の各々の固定の電位V0にある配線は、それらのそれぞれの第2の状態E0において同一の短絡電圧をもたらすように一体に接続されている。
さらに、コンディショナ51〜53は、それらが第1の状態E1にあるときにもたらす電圧V1およびV1’が常に同じ位相を有するように同期される。
同様に、コンディショナ51〜53は、それらがそれぞれの第1の状態E1にあるときに、それらがもたらす電圧V1およびV1’が可能な限り近い振幅および周波数を有し、理論的には同一の振幅および周波数を有するように選択される。
切換測定部材50は、とくに上述の接続配線40を介して測定電極1〜5へと接続される。
より具体的には、スリーブ10の2つの最も離れた測定電極1および5の両方は、コンディショナ51〜53の各々のとしての固定の電位V0(とくに、切換測定部材およびスリーブに共通のセンサ接地電位)にある同じ配線に電気的に接続される。
3つのコンディショナ51〜53のそれぞれの第1の出力は、3つの中間測定電極4、3、および2にそれぞれ接続される。
この実施の形態においては、ガード電極2a〜4aおよび2b〜4bが、これらのガード電極によって延長されるそれぞれの測定電極2〜4と常に同じ電位にあるように、切換測定部材50は、とくに上述の接続配線40を介してガード電極2a〜4aおよび2b〜4bへと接続される。
この目的のため、3つのコンディショナ51〜53のそれぞれの第2の出力は、スリーブ10の3つの上流側ガード電極4b、3b、および2b、ならびにスリーブの3つの下流側ガード電極4a、3a、2aへとそれぞれ接続される。
このようにして、切換測定部材50は、スリーブ10内の各々の分割空間A〜Dの測定状態と非測定状態との間の切り換えの制御に適することを、理解できるであろう。
より正確には、対象とする分割空間について、前記測定状態は、コンディショナ51〜53によって実行されるコンディショナ51〜53のそれぞれの第1および第2の状態E1およびE0の間の切り換えの結果として、前記対象とする分割空間を定めている2つの隣り合う測定電極のうちの第1の測定電極に第1の電圧V1が加えられる一方で、これら2つの隣り合う測定電極のうちの他方の測定電極に固定の電位V0が加えられ、したがって電位差V1−V0に相当する励起電気信号が前記2つの隣り合う測定電極の間に加えられるときに得られる。
さらに、前記対象とする分割空間が前記測定状態にあるとき、2つの隣り合う測定電極のうちの前記第1の測定電極に接続されたコンディショナの測定回路は、前記コンディショナの第1の発生器によってもたらされる電流を、前記励起電気信号の印加することからもたらされる受信電気信号を代表する値として測定し、この代表値に関連付けられた流体のガス含有量を測定することができる。
さらに、対象とする分割空間について、前記非測定状態は、コンディショナ51〜53をそれらのそれぞれの第1および第2の状態E1およびE0の間で切り換えることによって、前記対象とする分割空間を定めている2つの隣り合う測定電極の両方を同じ電位V1またはV0にしたときに得られる。
さらに、コンディショナ51〜53が別々であるため、各々のコンディショナを他のコンディショナ51〜53とは無関係に第1の状態E1と第2の状態E0との間で切り換えることができる。
このように、切換測定部材50は、分割空間A〜Dの各々の状態を互いに別個独立に選択的に切り換えるように構成されることを、理解できるであろう。
さらに、コンディショナ51〜53は、分割空間A〜Dのうちの少なくとも1つの状態が少なくとも1回、前記コンディショナによって順に切り換えられる測定サイクルを定めるように、例えばコンピュータによって制御されることができる。
例えば、後述される測定サイクルを実行することが可能である。
測定サイクルの第1の時間期間t1において、コンディショナのスイッチは、センサのスリーブ10の測定電極1〜5に以下の電位を加えるように使用される。
Figure 2014524566
したがって、励起電圧V1−V0は、第1の分割空間Aを定めている2つの隣り合う測定電極1および2の間に印加されることを、見て取ることができる。したがって、この第1の空間Aは、測定状態にある。
該当のコンディショナは、このコンディショナの第1の発生器によってもたらされる電流を測定する。
隣の分割空間Bを定めている2つの電極2および3がどちらも同じ電位V1にあることから、この隣の空間Bは、非測定状態にある。
したがって、測定電極2へともたらされる電流は、2つの隣り合う電極1および2の間に加えられる励起電圧の印加からもたらされる受信電圧だけを表わす。結果として、測定される電流は、該当のコンディショナの第1の発生器によってもたらされる電圧V1の振幅および位相に対して、特に第1の分割空間Aを流れる流体の誘電定数に直接依存する値を有する振幅および/または位相のずれを有する。したがって、この第1の時間期間t1においては、とりわけ第1の分割空間Aにおいて形成される気泡の含有量を直接測定することができる。
同じことが、第4の分割空間Dにも当てはまる。なぜならば、やはり励起電圧V1−V0は、この空間Dを定めている2つの隣り合う電極の間に印加される一方で、隣の分割空間Cは、非測定状態にあるからである。
要約すると、この第1の時間期間t1においては、とくに第1の分割空間Aにおいて形成される気泡の含有量および第2の分割空間Dにおいて形成される気泡の含有量の両方を、同時に得ることができる。
その後に、測定サイクルの後の第2の時間期間t2において、第2の測定電極2へと接続されたコンディショナ53の状態が切り換わり、このコンディショナが第1の状態E1から第2の状態E0に移行する。したがって、以下の設定が得られる。
Figure 2014524566
したがって、この第2の時間期間t2においては、とくに第2の分割空間Bにおいて形成される気泡の含有量および第4の分割空間Dにおいて形成される気泡の含有量が、同時に得られる。
その後に、測定サイクルの続く第3の時間期間t3において、第2の測定電極2へと接続されたコンディショナ53の状態が、第2の状態E0から第1の状態E1へと移行するように切り換わり、第4の測定電極4へと接続されたコンディショナ51の状態も、第1の状態E1から第2の状態E0へと移行するように切り換わる。したがって、以下の設定が得られる。
Figure 2014524566
したがって、この第3の時間期間t3においては、とくに第1の分割空間Aにおいて形成される気泡の含有量および第2の分割空間Cにおいて形成される気泡の含有量が、同時に得られる。
このように、単純な3段階の手順におけるコンディショナのわずか3回の切り換え操作により、センサのスリーブ10の流れの断面の分割空間A〜Dの各々は、測定サイクルの間に少なくとも1回ずつ測定状態となり、分割空間A〜Dの各々にそれぞれ形成される気泡の含有量を測定することができることを、理解できるであろう。
さらに、この測定サイクルの例において、分割空間AおよびDは、他の2つの分割空間BおよびCよりも頻繁に測定状態となる(とくに、1回ずつではなくて2回ずつ)ことに、気が付かなければならない。
さらに、測定サイクルは、必ずしもではないが好都合には、センサの測定値の線形性を確認する少なくとも1つの第4の段階を含むことができる。
より詳しくは、第3の時間期間t3に続く第4の時間期間t4を、測定サイクルに追加することができ、第4の時間期間t4においては以下の設定が行なわれる。
Figure 2014524566
したがって、この第4の時間期間t4においては、隣り合う第1および第2の分割空間AおよびBが、どちらも測定状態となる。
結果として、スリーブの第2の測定電極、すなわち空間AおよびBの両方に共通の電極へと接続されたコンディショナ53によってもたらされる電流は、第1の空間Aの誘電定数を代表する第1の成分と、第2の空間Bの誘電定数を代表する第2の成分とを有する。したがって、前記コンディショナ53によって測定される測定電流は、第1の空間Aおよび第2の空間Bの両方によって構成される組み合わせの空間A+Bに形成される気泡の含有量を測定するように機能すると理解することができる。
同様に、この第4の時間期間t4において第4の電極4へと接続されたコンディショナ51によって測定される電流は、第3の空間Cおよび第4の空間Dの両方によって構成される組み合わせの空間C+Dに形成される気泡の含有量を測定するように機能する。
同様に、この第4の時間期間t4において第3の電極3へと接続されたコンディショナ52によって測定される電流は、第2の空間Bおよび第3の空間Cの両方によって構成される組み合わせの空間B+Cに形成される気泡の含有量を測定するように機能する。

Claims (15)

  1. 流通管内における流体の流れ(F)への配置に適したスリーブ(10)を備え、前記流通管を流れる2相流体のガス含有量を測定するセンサであって、
    当該センサの前記スリーブ(10)は、お互いから離されかつお互いに揃えられた複数の測定電極(1〜5)を、該測定電極の一対が該スリーブ(10)の流れの断面を分割する複数の分割空間(A〜D)を定めるように、備え、
    当該センサは、前記スリーブ(10)の各々の分割空間(A〜D)を測定状態と非測定状態との間で切り換えるような方式で、前記測定電極(1〜5)に接続される切換測定部材(50)をさらに備え、
    前記測定状態においては、前記部材(50)は、対象とする分割空間を定めている2つの隣り合う測定電極の間に励起電気信号を印加し、該励起電気信号を印加することからもたらされる受信電気信号を代表する値を、該代表値に関連付けられた流体のガス含有量を測定するために、測定し、
    前記切換測定部材(50)は、前記分割空間(A〜D)の各々の状態を互いに独立して選択的に切り換えるように、構成されることを特徴とするセンサ。
  2. 前記切換測定部材(50)は、対象とする分割空間を非測定状態にするために、該空間を定めている2つの隣り合う測定電極に同じ電位を印加することを特徴とする請求項1に記載のセンサ。
  3. 前記切換測定部材(50)は、対象とする分割空間を非測定状態にするために、該空間を定めている2つの隣り合う測定電極の間のすべての電気的接続を遮断することを特徴とする請求項1に記載のセンサ。
  4. 前記切換測定部材(50)は、測定サイクルの間に少なくとも1回、前記分割空間(A〜D)のうちの少なくとも1つの状態を順に切り換えることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のセンサ。
  5. 前記分割空間(A〜D)の各々は、測定サイクルの間に少なくとも1回、測定状態になることを特徴とする請求項4に記載のセンサ。
  6. 測定サイクルの間に、前記分割空間のうちの少なくとも第1の分割空間が測定状態になる一方で、該第1の分割空間に隣接する別の分割空間が非測定状態になることを特徴とする請求項4または5に記載のセンサ。
  7. 当該センサの前記スリーブ(10)は、前記測定電極(2〜4)の端部を延長する一方そこから電気的に分かれているガード電極(2a〜4a,2b〜4b)を備え、
    該ガード電極(2a〜4a、2b〜4b)は、該ガード電極がそれぞれ延長している前記測定電極(2〜4)と常に同じ電位であるような方式で、前記切換測定部材(50)へ接続されることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載のセンサ。
  8. 前記測定電極(1〜5)は、少なくとも部分的に電気絶縁性の材料で作られたスペーサ(20)によって、互いに離されることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載のセンサ。
  9. 前記スペーサ(20)は、前記測定電極(1〜5)と前記切換測定部材(50)との間の接続をもたらすために接続配線(40)が挿入される通路(25)を備えることを特徴とする請求項8に記載のセンサ。
  10. 前記測定電極(1〜5)は、平面であり、互いに平行であることを特徴とする請求項1〜9のいずれか一項に記載のセンサ。
  11. 前記測定電極(1〜5)は、同軸であり、共通の軸周りでお互いを囲んでおり、該共通の軸に対して垂直な断面において円形である断面を有することを特徴とする請求項1〜9のいずれか一項に記載のセンサ。
  12. 前記測定電極(1〜5)は、円錐台形である請求項11に記載のセンサ。
  13. 前記測定電極(1〜5)は、円筒形である請求項11に記載のセンサ。
  14. 前記断面の平面において、2つの隣り合う測定電極の直径の比は、1.1〜3.0の範囲にあり、好ましくは1.4〜2.0の範囲にあることを特徴とする請求項11〜13のいずれか一項に記載のセンサ。
  15. 前記スリーブ(10)は、3つ〜6つの前記測定電極を有する請求項1〜14のいずれか一項に記載のセンサ。

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