JP2017504807A - 超音波エネルギーの発信及び受信を通して動粘度を求めるための方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
Description
タービン流量計、らせん状タービン流量計及び超音波流量計等の流量計は、レイノルズ数に依存する較正曲線を有する場合がある。流体粘度の情報は、そのような計測器の線形化を可能にし、それらの範囲を有効に広げ、それらの精度を改善する。
油処理及び他の産業では、所望の粘度を達成するための添加物注入のリアルタイム制御は、入ってくる供給原料の粘度の情報だけでなく、添加物の注入後の混合物の粘度の情報も必要とする。
パイプラインにおける摩擦損失は、製品の粘度の一次関数となる。ポンプ動力は、主なパイプライン稼働費用であり(直径76.2cm(30インチ)の2413.5km(1500マイル)のパイプラインのポンプ動力は1100MWeに達する可能性がある)、製品の粘度に基づく一括追加税が、エネルギーコストを割り当てるための公平な方法であり得る。
圧縮性の影響の計算及び漏れ位置の決定は、パイプライン及びその製品の圧力損失−流量特性の正確な特性化を必要とする。粘度は、この特性化において重要な変数となる。
超音波エネルギーは、広域で明確な周波数スペクトルを有する。
この周波数の測定は、例えばフーリエ変換等の周波数領域又は信号周期等の時間領域のいずれかにおいて実施可能である。
Aν=粘性減衰因数
α =減衰係数
X =媒質中の音響経路長さ
ω=超音波の角周波数
ω=2πf、fは超音波周波数
ν=動粘度
C=媒質中の音速
G(jw)=変換器の伝達関数
ω0 =変換器の固有振動数
ζ =変換器に関する減衰係数
j =−1の平方根
較正実験室における、1.6MHzの変換器を有する20.32cm(8インチ)の超音波流量計、1.0MHzの変換器を有する50.8cm(20インチ)の超音波流量計、及び、1.0MHzの変換器を有する60.96cm(24インチ)の超音波流量計での、周波数シフトの測定。16回の別々の周波数シフトの測定が、1mm2/s(1cSt)(水)から約86mm2/s(約86cSt)の範囲の粘度に対してなされた。
発信及び受信変換器2,4の間の距離が変化可能な特別な試験装置において、測定がなされた。装置は、(基準のための)液体状の水、並びに、300,1120及び4000mm2/s(300,1120及び4000cS)の粘度を有する油で満たされた。距離は、最も重い油を除いて、10.16cmから114.3cm(4インチから45インチ)で変化させられ、弱い受信信号は最大距離を63.5cm(25インチ)に制限した。
m=−2.576
b=5.0756
Claims (6)
- 流体の動粘度を求めるための装置であって、
発信器及び前記発信器からの単一パルスを超音波エネルギーへと変換可能な発信変換器と、
未知の粘度の流体を通過した超音波エネルギーの一部を電気信号へと変換する受信変換器及び電子増幅器と、を備え、前記発信変換器により生成された前記超音波エネルギーが、既知の長さの経路に沿って前記未知の粘度の流体を通るようにされている音響経路に沿って進み、
受信された電気信号の特徴的な周波数を求め、前記流体の音速を測定し、さらに、前記特徴的な周波数及び前記音速に基づいて継続的に前記流体の動粘度を求めるコンピュータを更に備え、前記動粘度が、前記流体の体積粘度及びせん断粘度から形成されている、装置。 - 前記体積粘度が、前記せん断粘度と一定の関係を有する、請求項1に記載の装置。
- 前記コンピュータが、周波数パラメータを生成するために、前記特徴的な周波数及び音速を、異なる粘度及び音速の流体について測定された同様なデータと組み合わせ、前記データが、当該装置の較正工程の一部として測定されている、請求項2に記載の装置。
- 前記コンピュータが、任意値を底とする前記未知の粘度の流体に関する粘度及び経路長さの積の対数を、前記周波数パラメータから、及び、当該装置の較正の際に得られた前記データから、求め、前記周波数パラメータ及び前記データが、前記任意値を底とする粘度及び経路長さの積の前記対数と、周波数パラメータと、の関係についての傾き及びオフセットを確立するために、前記コンピュータによって用いられる、請求項3に記載の装置。
- 前記コンピュータが、前記粘度及び経路長さの積の対数から前記経路長さの対数を減じて結果を算出し、前記コンピュータが、前記結果の真数をとり、これにより、前記流体の前記動粘度を求める、請求項4に記載の装置。
- 流体の動粘度を求めるための方法であって、
電気的な発信パルスを生成する発信器を駆動するステップと、
前記発信パルスの発信と同時に、デジタル時計からのタイミングパルスの計数を開始するステップと、
前記発信パルスを電気ケーブルを介して超音波の発信変換器に印加するステップと、
前記発信パルスにより、前記発信変換器に、限定された数の正弦波サイクルを有する超音波の圧力パルスを生成させるステップであって、前記超音波の発信変換器が、生成する超音波エネルギーが既知の長さの経路に沿って粘度が測定されることになる流体を通過するように、搭載される、ステップと、
前記経路の終端において、前記超音波エネルギーの一部を受信変換器に伝えるステップと、
前記受信変換器により、前記超音波エネルギーの一部を電気的な受信パルスへと変換するステップと、
前記受信パルス中に存在する全ての周波数のエネルギー成分が維持されるような周波数応答性を有する受信器により、前記受信パルスを増幅させるステップと、
デジタイザにより、前記受信パルスをデジタル化するステップであって、ADコンバータが、前記発信変換器及び前記受信変換器の固有振動数よりも1桁以上高いサンプル周波数を用いる、ステップと、
前記受信パルスをデジタル形式で復元するステップと、
信号検出論理により、前記受信パルスの到着時間を検出するステップと、
コンピュータにより、前記圧力パルスが前記粘性流体を通る通過時間と、前記発信器及び前記発信変換器の間の前記ケーブルの電気的遅延、前記発信変換器及び前記流体の間の境界面と関連付けられる機械的遅延、前記受信変換器と関連付けられる機械的及びケーブル遅延、並びに、前記受信器の電気的遅延を含む、前記エネルギー伝達経路の非流体媒質を通る通過時間と、を測定するステップと、
前記超音波エネルギーが通過する経路長さLと、前記流体中の前記超音波エネルギーの前記通過時間との比率として、前記流体の音速を計算するステップと、
前記音速及び受信された前記超音波エネルギーのパルスの周波数測定値から周波数パラメータFPを計算するステップと、
前記コンピュータにより、周波数パラメータ及び対数線形特徴から、粘度及び経路長さの積の対数Log(νL)を求めるステップと、
前記コンピュータにより、前記Log(νL)から前記経路長さの対数を減じてリマインダを得て、次に前記リマインダの真数を得ることによって、動粘度νを計算するステップと、
を備える、方法。
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