JP2015161663A - 多相流流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】１台の測定器で比較的安価で簡便に液体と気体および個体粒子などの流量をそれぞれ測定できる多相流流量計を実現すること。
【解決手段】垂直配管と水平配管が隣接した管路の前記垂直配管の外壁にこの垂直配管を挟むように設けられ測定信号の送受を行うトランスデューサで構成される第１の流量測定手段と、
前記水平配管の外壁にこの水平配管を垂直方向に挟むように設けられ測定信号の送受を行うトランスデューサで構成される第２の流量測定手段と、
これら第１の流量測定手段の測定信号と第２の流量測定手段の測定信号に基づき流量パラメータを演算する流量パラメータ演算手段、
とで構成されたことを特徴とするもの。
【選択図】 図１

Description

本発明は、多相の混相流体の流量を各相別に計測する多相流流量計に関するのである。

多相流流量計は、管路中を水、油、気体などの多相の流体が混相して流れる場合に、これら多相流体の流量を各相別に測定できるように構成されたものであり、従来から各種の装置が提案されている。

特許文献１には、多相の混相流体が流れる管路の流れ方向に沿って２台の混相密度計を設け、周波数に応じた混相流体の比誘電率に基づき各相の比率を求めるとともに、流体が２点間を流れるのに必要な時間を相関法に基づき各相毎の流量を測定するように構成された多相流流量計が記載されている。

特許文献２には、多相の混相流体が流れる管路の流れ方向に沿って設けられた電磁流量計および成分比率センサと、これら電磁流量計と成分比率センサの測定信号から測定流体の各混合物の流量を演算する演算回路とを具備した多相流流量計が記載されている。

特開平０８−２７１３０９号公報 特開平１０−２８１８４３号公報

しかし、これら従来の多相流流量計は、いずれも複数台の測定器を組み合わせていることから装置全体の構成が複雑になり、比較的コストが高くなるという問題点がある。

本発明は、これらの課題を解決するものであり、その目的は、比較的安価で簡便に液体と気体および個体粒子などの流量をそれぞれ測定できる多相流流量計を実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
垂直配管と水平配管が隣接した管路の前記垂直配管の外壁にこの垂直配管を挟むように設けられ測定信号の送受を行うトランスデューサで構成される第１の流量測定手段と、
前記水平配管の外壁にこの水平配管を垂直方向に挟むように設けられ測定信号の送受を行うトランスデューサで構成される第２の流量測定手段と、
これら第１の流量測定手段の測定信号と第２の流量測定手段の測定信号に基づき流量パラメータを演算する演算制御手段、
とで構成されたことを特徴とする多相流流量計である。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載の多相流流量計において、
前記流量パラメータ演算手段は、前記第１の流量測定手段の測定信号と第２の流量測定手段の測定信号の流速を比較して気泡の有無と粒子の有無を判断することを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項２に記載の多相流流量計において、
前記流量パラメータ演算手段は、さらに、気泡径と気泡個数を演算することを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項２に記載の多相流流量計において、
前記流量パラメータ演算手段は、さらに、粒子径と粒子個数を演算することを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１に記載の多相流流量計において、
第１の流量測定手段および第２の流量測定手段の測定信号は、超音波信号であることを特徴とする。

これらにより、比較的安価で簡便な構成で、液体と気体の流量をそれぞれ測定できる多相流流量計を実現できる。

本発明の一実施例を示す構成説明図である。 配管内に気泡流が流れている状態の説明図である。 ストークスの式の説明図である。 配管内におけるスラグ流の状態説明図である。 スラグ流の検出状態説明図である。 スラグ流の測定動作説明図である。 スラグ流が流れている配管とスラグ流測定状態における信号検出の概念図である。 気泡量を変えたときのデータの検出頻度を図式化した説明図である。 スラグ流測定時のアルゴリズムである。 図１の動作の流れの概要を示すフローチャートである。 気泡流モードの動作の流れを示すフローチャートである。 気泡から反射信号振幅プロファイルを取得する方法の説明図である。 反射信号強度のプロファイル例図である。 反射信号振幅のプロファイルフィッティング例図である。 スラグ流モードの動作の流れを示すフローチャートである。 本発明の他の実施例を示す構成説明図である。 本発明の他の実施例を示す構成説明図である。 本発明の他の実施例を示す構成説明図である。 周波数の異なるトランスデューサによる測定データの比較図である。 伝搬時間差法の信号振幅の説明図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例を示す構成説明図である。図１において、管路１０は、流体が上方向に流れる垂直配管１１と、上方向に流れる流体が水平方向に流れる水平配管１２とで構成されている。

垂直配管１１の外壁には、測定信号の送受を行い第１の流量測定手段２０を構成するトランスデューサ２１、２２が垂直配管１１を挟むようにして設けられている。これらトランスデューサ２１、２２は少なくともいずれか１つを設ければよく、反射相関法やドップラー法などの粒子の速度を測定する方法で、流体内の気泡の反射信号から流速を求めることができる。ただし、伝搬時間差法は気泡そのものの流速測定には適さない。

水平配管１２の外壁には、測定信号の送受を行い第２の流量測定手段３０を構成するトランスデューサ３１、３２が水平配管１２を垂直方向に挟むようにして設けられている。水平配管１２についても、これらトランスデューサ３１、３２の少なくともいずれか１つを設ければよく、反射相関法やドップラー法などの粒子の速度を測定する。なお、水平配管１２については、２つのトランスデューサ３１、３２を用いて伝搬時間差法により流速を測定することもできる。

これら第１の流量測定手段２０を構成するトランスデューサ２１、２２および第２の流量測定手段３０を構成するトランスデューサ３１、３２は、流量パラメータ演算手段として機能する演算制御部４０に接続されている。

演算制御部４０は、トランスデューサ２１、２２およびトランスデューサ３１、３２を駆動制御して測定データを蓄積・演算し、それらの演算結果を表示・出力する。この演算制御部４０には、外部からの電源供給、外部への４-２０ｍＡの電流出力、外部との通信などの目的でケーブル５０が接続されている。

図２は、配管内に気泡流が流れている状態の説明図である。図２において、第２の流量測定手段３０を構成するトランスデューサ３１、３２が水平配管１２を垂直方向に挟むようにして設けられているので、配管内の気体量が少ない場合にはほぼ満水に近い状態となるためトランスデューサ３１、３２ともに流量信号を検出することができる。

この状態では、配管内の気体の量は数％以下であり、管内は小さい気泡が流れている気泡流とよばれる流れとなる。このような状況で気泡量を求めるために、「気泡流モード」の信号処理を行う。

気泡流モードよりも気泡量が増えると、水平配管１２の上側には気体が溜まることになり、非満水状態となる。そのため、水平配管１２の上部に取り付けられているトランスデューサ３１は、配管と気体の音響インピーダンスが極端に異なることから超音波を配管内に伝えることができなくなり、信号が検出できなくなるが、トランスデューサ３２は水平配管１２の下側に固定されているため非満水の状態でも信号を検出できる。

このときの気泡量は数％以上１００％未満で、垂直配管１１内の流れの様式はスラグ流と呼ばれる配管全体を塞ぐような大きな気泡と、液体の中に小さな気泡が入る気泡流が交互に流れるモードとなる。このような状況で気泡量を求めるために、別途説明する「スラグ流モード」の信号処理を行う。

さらに、気泡量が増えてほぼ気体だけの状態となると、下側に固定されているトランスデューサ３２でも信号が検出できなくなる。この状態は配管内にほぼ１００％気体しか流れていない状態なので、気体流量を１００％と判断する。

また、トランスデューサ３１のみ信号が検出でき、トランスデューサ３２では信号が検出できない状態は通常考えられないため、故障と判断する。

反射相関法を用いると、この水平配管１２を垂直方向に挟むようにして設けられているトランスデューサ３１、３２を利用することによって、液体と気体の界面の位置を同定することができる。これは気体と液体の割合がこの位置でどの程度になっているかの大まかな目安になる。

しかし、気体と液体の間にはスリップが存在するので、同じ流速で配管内を流れているわけではなく、また、気体は圧縮性を有するためボイルシャルルの法則に従うことから、測定位置よりも下流の配管の状態（たとえば大気開放となっているか圧力がかかっているか）によってはトランスデューサ３１、３２だけでは気体の体積や流量を正確に求めることは困難である。

気泡流モードの信号処理について説明する。
トランスデューサ２１、２２を使った反射相関法やドップラー法で求めた流速は、トランスデューサ２１、２２が垂直配管１１に配置されているので、流体の流速＋気泡の浮力(あるいは−粒子の重力)による流速が測定される。図２では、流れが上方に向いているので、気泡の浮力分だけ液体の流速よりも速くなる。

一方、トランスデューサ３１、３２で求めた流速は、水平配管１２に配置されているので気泡の浮力の影響は無く、流体の流速のみを測定している。

演算制御部４０は、これらトランスデューサ２１、２２と３１、３２で観測された流速を計算し、トランスデューサ３１、３２で測定した流速に対するトランスデューサ２１、２２の流速誤差を算出する。

トランスデューサ３１、３２で測定した流速に対してトランスデューサ２１、２２で測定した流速がある閾値を超えてプラスの誤差を有する場合は「気泡あり」と判断し、気泡径測定のルーチンに進む。この判断には、何秒以上プラス誤差が続く、全データ中何データ以上プラス誤差があるなどの時間的な要素が入ってよい。

気泡径測定のルーチンでは、トランスデューサ３１、３２で観測された流速に対するトランスデューサ２１、２２の流速誤差分が気泡による浮力分であると仮定して、浮上速度（トランスデューサ２１、２２で観測された流速−トランスデューサＢ３１、３２で観測された流速）から気泡径を求める。

ここで、単一気泡の上昇速度は浮力と抗力の釣り合いによって決まる。これを式で表現すると次式になる。

ρd・g・(4/3)・π・r³＝(Cd・ρd/2)・π・r²・(wb-wl)² (1)

ここで、左辺は浮力、右辺は抗力であり、
wb:気泡の速度
wl:液体の速度
Cd:抗力係数
ρ：密度差
g：重力加速度
r:気泡半径
とする。
この式(1)から、

を導くことができる。
ここで、抗力係数Cdは気泡のRe数Rebによって表現が異なる。
一方、Rebは、この測定システムで実際に検知しうる気泡のサイズや流れを仮定して流れの状態を判定する。配管内の流体で、仮に気泡の半径rxを1mmとし、気泡と液体の相対速度ub1を10cm/sとし、25℃における水の動粘性係数ν1を0.893×10^-6m²/sとしてこの気泡のRe数を計算すると、
Reb＝2・rx・ub1/ν1 (2)
から、Rebは22.4になる。

この領域はAllen領域(遷移領域）であり、Allen領域での抗力係数Cdは式(3)のように表現できる。

(3)

これを気泡径ｒについて解くと、式(4)のようになる。

(4)

以上の式から明らかなように、水平配管１２における液体の流速wlと垂直配管１１における気泡流の速度wbを求めることで、気泡の径ｒを求めることができる。

なお、気泡径ｒは、図３に示す気泡の直径と浮上速度の関係を示すストークスの式から算出してもよい。

また、気泡ではなく粒子の場合には、重力で流体の流れより粒子の移動速度が低下することがある。このようなケースでは、粒子測定ルーチンでの計算を行い粒子密度を仮定した上で粒子の径を求めることができる。

水などの流体よりも比重の大きい粒子（たとえば、石炭などの鉱物）は、液体に対して沈む性質がある。図２に示すようにトランスデューサ２１、２２が設置されている垂直配管１１において、流体よりも比重の大きい粒子が存在していれば、トランスデューサ２１、２２で観測される流速は、トランスデューサ３１、３２で観測される流速よりも遅くなる。これを利用することにより、気泡の場合と同様の考え方で、流体中の粒子の含有量が測定できる。

スラグ流モードの信号処理について説明する。
図４は配管内におけるスラグ流の状態説明図、図５はスラグ流の検出状態説明図、図６はスラグ流の測定動作説明図である。

スラグ流は、これら各図に示すように、巨大な気泡が流れた後に微小な気泡が流れ、また巨大な気泡が流れるというような巨大な気泡と微小な気泡が交互に流れる流れとなる。 図５（Ａ）はトランスデューサ２１、２２がスラグ流の小気泡を検出している状態を示し、図５（Ｂ）はトランスデューサ２１、２２がスラグ流の大気泡を検出している状態を示している。

図５において、トランスデューサ２１、２２間における超音波のパスをＦとすると、スラグ流モードでは、（Ａ）に示す微小な気泡からは反射相関法で信号を検出できるが、（Ｂ）に示す巨大な気泡からの反射信号は得られない。そこで、反射相関法で検出される微小な気泡からの信号を利用して気泡量の推定を行う。

なお、反射相関法によれば、気泡などからの反射信号の移動速度から超音波のパスに沿った複数の位置の流速を求めることにより、図６に示すような流速プロファイルを求めることもできる。図６の「○」は測定点を示している。図６において、横軸はトランスデューサからの距離を示し、縦軸は流速を示している。

図７（Ａ）はスラグ流が流れている配管の拡大図、図７（Ｂ）は図４に示すスラグ流測定状態におけるトランスデューサ２１とトランスデューサ２２による信号検出の概念図である。第１の流量測定手段２０は垂直配管１１を流れる液体と大気泡の気体を間欠的に検出するが、第２の流量測定手段３０は水平配管１２を連続的に流れる液体を常に検出することになる。

図８は気泡量を変えたときのデータの検出頻度を図式化した説明図であって、（Ａ）は気泡量４０％を示し、（Ｂ）は気泡量２０％を示したものであり、横軸はトランスデューサからの距離に応じて任意の数に分解された領域を示し、縦軸はサンプリングの回数を示している。

図８において、１回のプロファイルサンプリングで横１列のデータを取ることができ、データが存在する部分は白抜きのセルで表示され、データが存在しない(測定できなかった)部分は黒のセルで表示されている。前述のスラグ流モードでは、図８の黒で表示された部分は大きな気泡が存在している領域を表し、白で表示された部分は小さな気泡が存在する領域を表していることになる。

厳密には、気泡が無い部分も黒で表示されるはずであるが、スラグ流は相当量の気泡が混入された結果生じる流れであることから、気泡が無い部分は実質的には考慮する必要はない。図８によれば、気泡量が少ない場合には白い点が増え、気泡量が多い場合には黒い点が増えることが明らかである。

ここで、たとえば１プロファイルの測定点を４０個として、有効なデータが10個未満しか存在していないときは大気泡が通過している領域と判定し、有効データが10個以上存在しているとき小気泡が流れている領域と判定する。これを複数回繰り返しサンプリングすることにより、大気泡と小気泡の割合から流体として流れる気体の量を推定できる。

実際には、信号処理を行うのにあたり、前述の図７（Ｂ）に示すように、信号を検出している時間以外に演算も行っていることから、気泡量を測定していない信号未検出時間部分が存在する。そこで、信号未検出空間にも信号検出空間における気泡量の測定結果と同量の気泡が存在すると仮定して気泡量を計算することで、最終的に流体全体での気泡量を求めることができる。

具体的には、図９のスラグ流測定時のアルゴリズムに示すように、信号の未検出時間（未検出領域）の全体の計測時間に対する割合を求めてその中の気泡量を検出領域と同じ割合と仮定し、また空間的な気泡量は後述の図１５に示すフローチャートにおけるデータ数の設定値Ｂが１検出サイクルの空間的な気泡量を表すと仮定して、これらの積を気泡量とする。

図１０は、図１の動作の流れの概要を示すフローチャートである。
はじめに、水平配管１２に設けられているトランスデューサ３１、３２の出力信号の組み合わせに基づき、流れのモードを判定する。

具体的には、まず、トランスデューサ３１の出力信号の有無を判断する（ステップＳ１）。トランスデューサ３１の出力信号があれば続いてトランスデューサ３２の出力信号の有無を判断する（ステップＳ２）。トランスデューサ３２の出力信号があれば気泡流モードと判断し、トランスデューサ３２の出力信号がなければセンサの故障と判断する。気泡流モードの動作の流れは、図１１のフローチャートを用いて説明する。

トランスデューサ３１の出力信号がない場合でも、続いてトランスデューサ３２の出力信号の有無を判断する（ステップＳ３）。トランスデューサ３２の出力信号があればスラグ流モードと判断し、トランスデューサ３２の出力信号がなければ気体１００％と判断する。スラグ流モードの動作の流れは、図１３のフローチャートを用いて説明する。

図１１は、気泡流モードの動作の流れを示すフローチャートである。はじめに、第１の流量測定手段２０の流速測定結果Ａを求め（ステップＳ１）、続いて第２の流量測定手段３０の流速測定結果Ｂを求める（ステップＳ２）。そして、これら第１の流量測定手段２０の流速測定結果Ａの値と第２の流量測定手段３０の流速測定結果Ｂの値がＡ≧Ｂか否かを比較判定する（ステップＳ３）。

Ａ≧Ｂの場合は気泡があると判断して気泡径測定ルーチン（ステップＳ４）の処理に移行し、Ａ≧Ｂではない場合は粒子があると判断して粒子径測定ルーチン（ステップＳ７）の処理に移行する。

気泡径測定ルーチンでは気泡個数計数ルーチン（ステップＳ５）の処理を実行して気泡量を計算し（ステップＳ６）、粒子径測定ルーチン（ステップＳ７）では粒子個数計数ルーチン（ステップＳ８）の処理を実行して粒子の含有量を計算する（ステップＳ９）。粒子径は、沈降速度と粒子径の関係を示すストークスの式から算出できる。

粒子径を求める別の方法として、粒子を剛体とみなして反射係数と粒子径の関係を示すテーブル（Stenzelの反射係数）を用い、反射信号振幅の絶対値から粒子径を求めるようにしてもよい。

また、第１の流量測定手段２０と第２の流量測定手段３０を用いて気泡からの反射信号振幅のプロファイルを取得する信号強度プロファイルルーチンの処理も実行し（ステップＳ１０）、その処理結果をステップＳ５の気泡個数計数ルーチンの処理およびステップＳ７の粒子径測定ルーチンに入力して反映させる。

図１２は気泡から反射信号振幅プロファイルを取得する方法の説明図であり、図１の部分拡大図である。図１２において、水平配管１２の外壁には、気泡から反射信号を検出するためのトランスデューサ３１が設けられている。

反射信号振幅プロファイルの取得は流量計測とは全く別に行うものであり、反射信号振幅プロファイルは、超音波の伝搬時間から推定した配管内の各位置における反射信号の振幅を表している。

図１３は、反射信号強度のプロファイル例図である。図１３において、横軸は配管内の超音波伝搬距離、縦軸は気泡からの超音波の反射信号の振幅（相対値）を表している。伝搬距離０ｍはトランスデューサ側の配管内壁を表している。

ところで、図１１のフローチャートにおける気泡個数計算ルーチン（ステップＳ５）では、前過程まで得られた反射信号振幅のプロファイルと気泡径の情報を元に、気泡個数を決定する。具体的には、気泡径と気泡数をパラメータとした算出式を用いて、反射信号振幅のプロファイルとのフィッティングから気泡数を計算する。計算式としては、たとえば次式（５）が考えられる。

式（５）において、aは超音波の反射信号の振幅、Aは超音波の反射信号の強度、I_０は超音波の入射信号強度、Sは気泡断面積であり気泡の半径をrとすればπｒ²となる。nは単位体積当たりの気泡数密度、xは超音波の伝搬距離、dxはある時間における波形の切り取り範囲を表している。式（５）は、反射強度Ａが、（ある位置までの透過波強度）×（ある位置における超音波の反射率）×（その他の項）で表されることを意味している。

ここで、その他の項とは、超音波の伝搬に伴う流体の超音波吸収項や拡散項、バックグラウンドノイズなどである。バックグラウンドノイズは、超音波を発していないときに観測される信号振幅の実測値としてもよい。

（５）式における未知のパラメータは気泡数密度ｎだけである。この気泡数密度nは、たとえば図１４に示すように反射信号振幅のプロファイルとのフィッティングで決定してもよい。フィッティングには、たとえば最小二乗法を用いる。なお、相対値によるフィッティングでよく、反射信号振幅の絶対値は必要ない。これは、（５）式におけるI₀とdxを知る必要がないだけでなく、配管とトランスデューサの接触面積、配管の種類・厚さ・付着物の有無なども考慮する必要がないという大きなメリットがある。

図１４は、反射信号振幅のプロファイルフィッティング例図である。図１４において、横軸は配管内の超音波伝搬距離、縦軸は気泡からの超音波の反射信号の振幅（相対値）を表している。なお、図１４では気泡量（void ratio）でフィッティングしているが、気泡径が既にわかっているので、気泡数と気泡量のどちらでフィッティングしてもよい。

上記の過程により、気泡径と気泡数が算出できるため、図１１のフローチャートに示すように気泡量が計算できる。最終的な出力としては、流速、流量、気泡径、気泡数、気泡量のいずれでも可能である。

図１５は、スラグ流モードの動作の流れを示すフローチャートである。はじめに、流速プロファイルを測定し（ステップＳ１）、続いて流速プロファイル形成データ数のカウント値Ａを求める（ステップＳ２）。そして、このカウント値ＡとステップＳ３で別途設定されるデータ数設定値ＢがＡ≧Ｂか否かを比較判定する（ステップＳ４）。

Ａ≧Ｂの場合は流速プロファイルデータの処理（ステップＳ５）に移行し、Ａ≧Ｂではない場合は気泡領域の処理（ステップＳ６）に移行する。

これら流速プロファイルデータの処理および気泡領域の処理が終わると、平均流速プロファイルの処理（ステップＳ７）に移行する。

その後、気泡領域頻度を求めて（ステップＳ８）、さらに気泡量を計算する（ステップＳ９）。

これらの構成により、既存の超音波流量計と類似の単純な構成で、超音波流量計としての流体の流量計測だけでなく気泡径・気泡数の測定や気泡の流量などの各種の流量パラメータも同時に測定することができ、経済的である。
また、流れの判定ルーチンを利用することで気泡の有無、および粒子の有無も検出できる。

なお、上記実施例では、気泡や粒子に関して気泡量や粒子量を求める例を説明したが、必ずしも気泡量を求めなくても、気泡/粒子径のみや気泡/粒子個数のみを出力してもよい。

また、水平配管１２における反射相関法による流量計測の代わりに、垂直配管１１や水平配管１２で伝搬時間差法により液体の流速を測定して気泡流量を求めるのに利用してもよい。

図１６は本発明の他の実施例を示す構成説明図であって、図１と共通する部分には同一の符号を付けている。図１６において、管路１０は、流体が下方向に流れる垂直配管１１と、下方向に流れる流体が水平方向に流れる水平配管１２とで構成されている。

図１６のように構成することにより、気泡と粒子を個別に判定することもできる。下流の水平配管１２の内部では、密度が液体より大きい粒子は遠心力により底部側に寄り、密度の小さい気泡はさらに浮力により上部側に寄る。

水平配管１２を垂直方向に挟むようにして設けられているトランスデューサ３１、３２は、信号の検出頻度と位置情報から反射信号がどのあたりにどれくらいの頻度であるかを検出できる。

したがって、水平配管１２の底部側に反射信号が多ければ粒子と判定し、上部側に反射信号が多ければ気泡と判定することができ、これらに基づき気体流量と粒子量とを個別に求めることが可能になる。

なお、垂直配管１１の外壁に垂直配管１１を挟むようにして設けられているトランスデューサ２１、２２のみで気泡径を測定することもできる。
具体的には、以下の２通りが考えられる。
ａ）トランスデューサ２１、２２を用いて伝搬時間差法と反射相関法またはドップラー法をハイブリッドで動作させる方法（以下ハイブリッドで動作させる方法という）
ｂ）トランスデューサ２１、２２の２つの検出端をそれぞれ異なる周波数を使って反射相関法またはドップラー法で測定する方法（以下異なる周波数で測定する方法という）

これらの方法によれば、水平配管１２にトランスデューサを取り付ける必要はなくなるので装置全体を簡略化できてコストダウンが図れるのに加え、水平配管と垂直配管が必要という配管上の制限がなくなるという効果も得られる。

ａ）ハイブリッドで動作させる方法
超音波流量計は、流体の流速を、反射相関法またはドップラー法と伝搬時間差法で交互に測定することができる。反射相関法またはドップラー法が気泡からの反射信号を元に流速を算出するのに対し、伝搬時間差法は上流側下流側の超音波の伝搬時間差から流速を求めているので、流体そのものの流速を測定していることになる。

図１７も本発明の他の実施例を示す構成説明図であって、垂直配管１１を利用して気泡の上昇速度を測定し気泡径を測定するものである。図１7において、垂直配管１１の外壁には、測定信号の送受を行い第１の流量測定手段２０としての反射相関法またはドップラー法と伝搬時間差法が測定できる超音波流量計を構成するトランスデューサ２１、２２が垂直配管１１を挟むようにして設けられている。

反射相関法またはドップラー法で求めた流速は、（流体の流速）＋（気泡の浮力分の流速）になる。一方、伝搬時間差法で求めた流速は流体の流速になるので、２つの流速の差分は気泡の上昇速度を表すことになる。その後は、図１１のフローチャートに則り、気泡径を算出する。

ｂ）異なる周波数で測定する方法
図１８も本発明の他の実施例を示す構成説明図である。図１８において、垂直配管１１の外壁には、駆動周波数の異なるトランスデューサ２１、２２が垂直配管１１を挟むようにして設けられている。高周波数トランスデューサ２１は、数百kHz〜数十MHz程度の超音波を発生することができ、低周波数トランスデューサ２２は、数十kHz〜数MHz程度の超音波を発生することができる。

高周波数トランスデューサ２１は超音波の波長が短いので、浮力が無視できるような微小気泡からの反射信号を得ることができる。当然、大きい気泡からの信号も同時に得る。
一方、低周波数トランスデューサ２２は波長が長いので、ある程度の大きさの気泡からしか反射信号を得ることができず、微小気泡は反射せずに透過してしまう。

図１９は、周波数の異なるトランスデューサによる測定データの比較図である。各々の流速プロファイルを比較すると、図１９（Ａ）のようになる。低周波数トランスデューサ２２で取得したプロファイルは、（本来の流体の流速）＋（大きい気泡の浮力による流速）が測定される。

これに対し、高周波数トランスデューサ２１で取得したプロファイルは、（本来の流体の流速）＋（微小気泡〜大きい気泡の浮力による流速）が測定される。そのため、低周波数トランスデューサ２１でも、高周波数トランスデューサ２２でも、本来の流体の流速よりはプラスに流速が計算されるが、高周波数での測定結果は、微小気泡からの反射信号を含んでいる分、低周波数の平均流速（大きい気泡のみの流速）よりは遅くなる。

反射相関法では、２つ以上の反射信号波形で相関の取れた有効なデータをカウントすることにより、図１９（Ｂ）〜（Ｄ）に示すようなヒストグラムとして表すことができる。上記のように、高周波数トランスデューサと低周波数トランスデューサで得られた流速プロファイルのヒストグラムの中心値は、流速の平均値を表している。そのため、各々のヒストグラムを減算すると、その差分は微小気泡からの反射信号のみを表していることになる。微小気泡の浮上速度は無視できるほど小さいから、これを流体の速度とみなすことができる。

以上から明らかなように、低周波数トランスデューサ２２で得られた流速プロファイルを代表的な気泡径からの流速とし、ヒストグラムの差分で得られた微小気泡の流速を流体の流速とすることで、その平均流速の差から代表的な気泡の浮上速度を計算できる。後の過程は、図１１と同様である。

なお、水平配管での反射相関法による流量計測の代わりに、コリオリ流量計など他の流量計の液体流量計測結果を利用してもよい。

また、気泡流モードでの信号減衰を、伝搬時間差法を利用して求めてもよい。
これは、図１２の反射信号振幅プロファイルの取得から気泡量を算出する過程の変形になる。図２０は伝搬時間差法の信号振幅の説明図であり、（Ａ）は伝搬時間差法の概念図、（Ｂ）は信号振幅図である。図２０に示すように、伝搬時間差法で観測される透過波の振幅は、気泡量が大きくなると小さくなる。この振幅の減少量から気泡量を求めることもできる。その場合、透過波形の振幅tは、透過光強度Tとの関係から、以下の（６）式で求める。

透過波形の振幅から気泡量を求める場合は、反射振幅プロファイルの場合とは異なり、気泡が存在しないときの透過波形の振幅を予め知っておく必要がある。そこで、次の１）または２）のいずれかの方法で気泡が存在しないときの透過波形の振幅を求める。

１）（５）式より、振幅の絶対値を計算する。この場合I₀は、配管条件によって決まる値であるため、データテーブルとして演算制御部４０に格納しておくか、相応の計算式から算出する。

２）より確実な方法として、気泡が存在しないときの透過波形の振幅を変換器のメモリーに残しておく方法がある。たとえば、プロセスが止まったとき（しばらく時間が経てば流体中に気泡が存在しなくなる）などに取得するのがよい。

以上説明したように、本発明によれば、比較的安価で簡便な構成で、液体と気体および個体粒子などの流量をそれぞれ測定できる多相流流量計を実現できる。

１０ 管路
１１ 垂直配管
１２ 水平配管
２０ 第１の流量測定手段
２１、２２ トランスデューサ
３０ 第２の流量測定手段
３１、３２ トランスデューサ
４０ 演算制御部
５０ ケーブル

Claims (5)

1. 垂直配管と水平配管が隣接した管路の前記垂直配管の外壁にこの垂直配管を挟むように設けられ測定信号の送受を行うトランスデューサで構成される第１の流量測定手段と、
   前記水平配管の外壁にこの水平配管を垂直方向に挟むように設けられ測定信号の送受を行うトランスデューサで構成される第２の流量測定手段と、
   これら第１の流量測定手段の測定信号と第２の流量測定手段の測定信号に基づき流量パラメータを演算する流量パラメータ演算手段、
   とで構成されたことを特徴とする多相流流量計。
2. 前記流量パラメータ演算手段は、前記第１の流量測定手段の測定信号と第２の流量測定手段の測定信号の流速を比較して気泡の有無と粒子の有無を判断することを特徴とする請求項１に記載の多相流流量計
3. 前記流量パラメータ演算手段は、さらに、気泡径と気泡個数を演算することを特徴とする請求項２に記載の多相流流量計。
4. 前記流量パラメータ演算手段は、さらに、粒子径と粒子個数を演算することを特徴とする請求項２に記載の多相流流量計。
5. 第１の流量測定手段および第２の流量測定手段の測定信号は、超音波信号であることを特徴とする請求項１に記載の多相流流量計。