JP2016040544A - 多相流流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】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提供する。【解決手段】管路内を流れる流体２の流れ方向に沿うように管路の外壁に所定の間隔で設けられ、流体中に含まれる気泡３を検出する複数の気泡検出手段と、これら気泡検出手段の検出信号に基づき、気泡の有無を判断する流量パラメータ演算手段が設けられ、流量パラメータ演算手段は、少なくとも気泡数密度、気泡径、気泡量のいずれかを求める。【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ことができる多相流流量計に関するものである。

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、
管路内を流れる流体の流れ方向に沿うように前記管路の外壁に所定の間隔で設けられ、前記流体中に含まれる気泡を検出する複数の気泡検出手段と、
これら気泡検出手段の検出信号に基づき、気泡の有無を判断する流量パラメータ演算手段、
を設け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、少なくとも気泡数密度、気泡径、気泡量のいずれかを求め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、
前記気泡検出手段の測定信号は、超音波信号であることを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項１に記載の多相流流量計において、
前記管路は垂直配管と水平配管が隣接した管路であり、前記気泡検出手段は、前記管路の垂直配管の外壁に設けられてい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。 気泡量を計算する処理の流れを説明するフローチャートである。 上流検出端４と下流検出端５における超音波振幅分布例図である。 上流検出端４と下流検出端５から得られる超音波振幅分布の比を示した特性図である。 超音波振幅分布比のフィッティング例図である。 超音波振幅分布のフィッティング例図である。 本発明の他の実施例を示す構成説明図である。 気泡か粒子かを判断する処理の流れを説明するフローチャートである。

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、垂直配管１の管内には、流体２が速度ｖで下方から上方に向かって流れている。なお、流体２中には、複数の気泡３が混入している。

垂直配管１の外壁には、高さｈの間隔を保つようにして、上流検出端４と下流検出端５が垂直方向に沿って配置されている。これら上流検出端４と下流検出端５は変換器６に接続されていて、反射相関法やドップラー法などの公知の方法を用いて、流体２内に含まれる気泡３からの反射信号に基づいて流速を求めるとともに、気泡３を含む流体２からの反射信号振幅を取得する。

下流検出端５は上流検出端４よりも高さｈだけ上方に配置されているので、上流検出端４を通過する気泡３ａと下流検出端５を通過する気泡３ｂのサイズを比較すると、気泡３ｂの方が気泡３ａよりもヘッド圧分だけ大きくなっている。

変換器６は、測定データを蓄積・演算するとともに、測定演算結果を表示・出力するものであり、外部からの電源供給、４−２０ｍＡの外部への出力、外部との通信などの目的でケーブルを介して外部と接続されている。

反射相関法やドップラー法は、流体中の反射体である気泡３ａ、３ｂの速度を測定しているので、上流検出端４と下流検出端５では、（流体の流速）＋（気泡の浮力による流速）が測定される。

図２は、気泡量を計算する処理の流れを説明するフローチャートである。まず、上流側の検出端４で流速を測定した後（ステップＳ１）、下流側の検出端５で流速を測定する（ステップＳ２）。一方、上流側の検出端４で超音波振幅を測定した後（ステップＳ３）、下流側の検出端５で超音波振幅を測定する（ステップＳ４）。

その後、これら流速測定値および超音波振幅測定値に基づいて、気泡個数計算（ステップＳ４）、気泡径測定（ステップＳ６）および気泡量計算（ステップＳ７）を順次実行する。

図３は上流検出端４と下流検出端５における超音波振幅分布例図であり、（Ａ）は上流検出端４における超音波振幅分布例を示し、（Ｂ）は下流検出端５における超音波振幅分布例を示している。

ここで、上流検出端４と下流検出端５で測定される流速を比較すると、気泡３ｂが気泡３ａよりも大きくなっているため、下流検出端５で観測される流速の方が気泡３ｂの浮力分だけ速くなる。

一方、上流検出端４と下流検出端５で測定される超音波信号振幅を比較すると、気泡３ｂが気泡３ａよりも大きくなっているため、図３（Ｂ）に示すように、下流検出端５で観測される超音波振幅の方が超音波の伝搬距離ｘに対して減衰が大きくなる。

超音波入射強度をI₀、気泡断面積をA、気泡数密度（個/m³）をn、流体中の超音波の伝搬距離をｘ、液体の減衰定数をα₀、超音波周波数をfとすると、上流検出端４から得られる超音波振幅ｒ₀（ｘ）は、

下流検出端５から得られる超音波振幅分布r₁（x）は、

と表すことができる。

図４は上流検出端４と下流検出端５から得られる超音波振幅分布の比を示した特性図であり、図３の上流検出端４と下流検出端５で測定される超音波信号振幅の距離ｘに対する比をプロットしたものである。

ここで、流体の動粘粘性係数をρ、重力加速度をg、上流検出端４で測定した流体の流速をv₀、下流検出端５で測定した流体の流速をv₁とすると、図４における理論式は、

となる。
（３）式において、（ｖ₁−ｖ₀）は上流検出端４と下流検出端５で測定した流速の差であり、測定によって決まる値である。そのため、（３）式における未知数は、気泡数密度ｎのみである。

そこで、測定によって得た図３のプロットと（３）式を未知数ｎでフィッティングすることにより、図５の超音波振幅分布比のフィッティング例に示すように、気泡数密度ｎを決定できる。

気泡数密度ｎが決定すると、（１）式の未知数は気泡断面積A₀だけになり、（２）式における未知数は気泡断面積A₁だけになる。よって、それぞれの超音波振幅分布を未知数気泡断面積Aでフィッティングすることにより、気泡断面積Aを決定する。

気泡数密度ｎと気泡断面積Aを決定することにより、上流検出端４と下流検出端５におけるボイド率を以下の式から求めることができる。

図６は超音波振幅分布のフィッティング例図であり、（Ａ）は（１）式で表すことができる上流検出端４における超音波振幅分布のフィッティング例を示し、（Ｂ）は（２）式で表すことができる下流検出端５における超音波振幅分布のフィッティング例を示している。

これらから明らかなように、変換器６は、以上の方法で求めた気泡数密度、気泡径、気泡量を出力することができる。

このような構成によれば、超音波流量計としての流量計測だけではなく、気泡量、気泡径、気泡数などの測定も同時に行える。

既存の超音波流量計と類似した単純な構成により、新たに気泡の流量を求めることができ、経済的でもある。

反射相関法やドップラー法を用いて流速を算出できるので、超音波減衰の大きい流体についても測定が行える。

垂直配管のみで測定が行えることから、従来のような測定を行うためのみの水平配管部を設けなくてもよく、管路を設置する位置の制限条件が大幅に緩和されるので、管路全体を効率よくコンパクトに敷設できる。

上記の本発明に基づく一連の測定信号の処理は、反射信号の相対値によるフィッティングであり、従来から行われている超音波流量計測に必要なパラメータのみで気泡量を求めることができるため追加のパラメータが必要になることはなく、気泡量の算出に必要なパラメータを最小限に抑えることができる。

図７は本発明の他の実施例を示す構成説明図であり、図１と共通する部分には同一の符号を付けている。図７において、垂直配管１の上流検出端４と下流検出端５の間には、オリフィス８が設けられている。

オリフィス８の下流には、通常圧損が生じる。そこで、この圧損を利用し、図１の構成と同様に、上流検出端４と下流検出端５の検出信号に基づき、気泡量などを測定する。

具体的な測定方法は図１の場合と同様であるが、高さｈは図１に比べて低くても、垂直配管１の流体に圧損が生じていれば、高精度に気泡量などを測定できる。

垂直配管１の流体に圧損が生じていれば本発明を適用できるので、たとえばコリオリ流量計における上下流の差圧を利用してもよい。

図１および図７の実施例では流体２中に気泡３のみが含まれている場合について説明したが、たとえば液体中に粒子のみが存在している場合であっても、それぞれを切り分けて出力できる。

図８は、気泡か粒子かを判断する処理の流れを説明するフローチャートである。まず、上流側の検出端４で流速を測定した後（ステップＳ１）、下流側の検出端５で流速を測定し（ステップＳ２）、これら上流側の検出端４で測定した流速と下流側の検出端５で測定した流速との差分を計算する（ステップＳ３）。

その後、これら上下流の流速差分を所定の閾値と比較する（ステップＳ４）。上下流の流速差分が閾値以下の場合には「粒子あり」の信号を出力し（ステップＳ５）、上下流の流速差分が閾値を超える場合には気泡量の計算を行う（ステップＳ６）。

図８は基本的には図２と同じであるが、垂直配管において上流側と下流側の流速を測定してそれらの流速差を取った後、流体中に含まれる超音波の反射体に対する「判断」が入る。

流体中の粒子は、差圧による膨張・収縮がないため、垂直管の上流側と下流側の流速差が理想的には０ｍ／ｓになる。そこで、上流側と下流側の流速差がある閾値以下の場合は反射体は粒子であると判断し、閾値を超えている場合は浮力によって流速差が生じていると判断して前述の気泡量測定へ移行する。

なお、流体中に粒子が存在していると判断した場合、粒子径のサイズはわからないので粒子量は計算できないが、流体中に粒子が存在している旨をたとえば表示器に表示することができる。

本発明は、超音波を用いて液体の流量を測定する機能を持つ多相流流量計において、気泡の反射信号から流速を求める機能を有するとともに、垂直配管中の差圧（ヘッド差、オリフィス・コリオリの上下流の差圧、細管の差圧など）を利用し、反射信号の強度と位置情報から流体中に存在する気泡数を求める機能を有するものである。

そして、気泡の浮力の影響を検出し、反射信号の強度と位置情報から気泡径と気泡量を求めることができる機能を有する。

また、反射信号振幅の位置情報を用いてフィッティングにより気泡数と気泡径を求める機能も有する。

さらに、垂直配管中の差圧による超音波反射体の流速差から、流体中に含まれるものが気泡なのか粒子なのかを判断する機能も有するものである。

なお、本発明に基づく多相流流量計は、これら複数の機能のうち、少なくともいずれか一つの機能を持っていればよい。

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。

１ 垂直配管
２ 流体
３ 気泡
４ 上流検出端
５ 下流検出端
６ 変換器

Claims (6)

1. 管路内を流れる流体の流れ方向に沿うように前記管路の外壁に所定の間隔で設けられ、前記流体中に含まれる気泡を検出する複数の気泡検出手段と、
   これら気泡検出手段の検出信号に基づき、気泡の有無を判断する流量パラメータ演算手段、
   を設け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、少なくとも気泡数密度、気泡径、気泡量のいずれかを求め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。
6. 前記管路は垂直配管と水平配管が隣接した管路であり、前記気泡検出手段は、前記管路の垂直配管の外壁に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の多相流流量計。