JP2023521112A - フローパラメータの光学的測定 - Google Patents

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Abstract

流体測定方法は、流体が流れるパイプに光ビームを照射し、光ビームがパイプ内を流れる流体を照らすステップと、光検出器アレイを用いて、ビームと流体中に存在する粒子との散乱によって生じる光を検出し、光ビームが光検出器アレイの視野の外にあるステップと、光検出器アレイの視野を層に分割し、各層における光検出器アレイから送信される信号の関数として、層の各々の瞬時流速を求めるステップとを含む。【選択図】図１

Description

本発明は、一般に流体流量測定に関し、特に光学式流体流量測定アセンブリおよび方法に関するものである。
ＰＣＴ特許出願ＰＣＴ／ＩＢ２０２０／０５０５５７（ＷＯ２０２０／１７８６４１）には、細い鉛筆状のビーム又はパイプ内の窓を通して流れを照らす光シートの形態のビームを放出する発光ダイオード（ＬＥＤ）のようなパイプの外側に置かれた単一の連続波光源と、放出ビームが検出器配列に衝突しないように、パイプ外の流れの軸に沿って置かれた２次元ＣＣＤ配列などの複数の光検出器を含む光学器具が記載されている。光ビームとＣＣＤアレイの視野の交点が、装置の測定領域を決定する。測定領域でビームを通過した小粒子による散乱光は、集光レンズによって集光され、集光された光によって作られる信号を連続的に記録する光検出器に集光される。記録された時間変化する信号を相互相関法、飛行時間法などの数学的手法や機械学習アルゴリズムによって解析することにより、流速が決定される。
国際公開ＷＯ２０２０／１７８６４１
本発明は、層流、乱流、および中間流のレジームについてパイプ内を流れる液体および気体の局所速度プロファイルのインライン測定を提供するための、簡単で堅牢かつ非侵襲的な光学的方法を提供しようとするものである。
本発明の一態様では、層流、乱流、および中間流体領域について、パイプを流れる液体の体積および質量流量を正確にインライン測定するための光学的方法が提供される。
本発明の一態様では、層流、または乱流、または中間流の領域でパイプを流れる二相または多相の液体および気体の成分の局所速度プロファイルをインラインで測定するための光学的方法が提供される。
本発明の一態様では、層流、乱流、または中間流の領域でパイプを流れる多相液体の各成分の体積と質量流量を別々に測定する光学式インライン方法が提供される。
本発明の１つの側面は、層流、乱流および間欠流体制においてパイプを流れる多相液体の各成分の速度プロファイル、質量流量および体積流量を提供できる、光学的、非侵襲的装置を利用できるようにすることである。
本発明の一態様では、光学システムは、パイプ内を流れる液体又は気体の速度プロファイルの視覚的マップをインラインで提供し、パイプ内を流れる多相液体の成分の速度プロファイルの視覚的マップを提供することも可能である。
したがって、本発明の実施形態によれば、流体が流れるパイプに光ビームを放射し、光ビームがパイプ内を流れる流体を照らし、光検出器アレイを使用して、流体内に見出される粒子とのビームの散乱によって引き起こされる光を検出することを含む流体流れ測定方法が提供され、この方法は、以下の通りである。前記光ビームは、前記光検出器アレイの視野の外側にあり、前記光検出器アレイの視野を層に分割し、前記層の各々において前記光検出器アレイから送信される信号の関数として、前記層の各々の瞬間流速を決定する、ことを特徴とする。
本発明は、添付図面と以下の詳細な説明によって、更に完全に理解される。
図１は、本発明の非限定的な実施形態による、光学式流体流速測定システムの簡略化された図解である。
ここで、本発明の非限定的な実施形態による、光学的流体流速測定システム１０を示す図１を参照する。
このシステム及び方法は、短い時間間隔の間にパイプセクションを流れる流体の質量流量及び体積流量と共に、瞬時及び平均速度プロファイルを測定する。これにより、流量の空間的・時間的不均質性にかかわらず、高い測定精度が得られる。
図１において、光源１１は単色光シート１２を放出し、このシートは、液体が流れるパイプ部１４、好ましくはパイプの中心に渡って（パイプの一部であり得る第一の窓を介して）投影される。光の伝搬方向に対して垂直に配置されたデジタルカメラ１６（部分的に破線で示す）のような光検出器アレイは、（パイプの一部であり得る第２の窓で）流れる液体中の微粒子からの散乱信号を記録することにより、照明された流れを記録する。カメラの焦点面視野の投影の垂直方向寸法は、パイプ内径のかなりの部分をカバーする。
カメラの視野は、垂直軸に沿って水平方向の層に仮想的に分割され、その幅は、結果として得られる円筒形の層内の液体の体積が等しくなるように選択される（これは本発明にとって不可欠ではなく、それらは不等であってもよい）。図１には、幅ｒ１、ｒ２、ｒ３の３つの層を例として、分割方式を示した。各層の瞬時流速は、飛行時間法、相関法、または機械学習アルゴリズムのいずれかによって、隣接するフレームの解析によって決定される。各層の瞬間流体移動速度ベクトルの測定値は、流れの性質によって異なる場合がある。一般に、壁面付近では低い値（図中Ｖ３（オーバーライン有り）で示す）となり、管軸では最大の値（図中Ｖ１で示す）となり、その間の層では中間の値（図中Ｖ２で示す）となる。また、視野内の各層の体積をそれぞれＶ３、Ｖ１、Ｖ２で示す。
なお、本発明は水平方向の層に限定されるものではなく、極座標系や球座標系など他の方法で層を定義してもよい。
各層における瞬時流速の値を用いて、流れの局所的な速度分布をマッピングすることができる。さらに、速度分布図の変化を測定することで、流体粘度の時間変化を導き出すことができる。
瞬時流速計測の時間間隔は、カメラのフレームレートと計測に必要な隣接フレーム数によって決まり、数十ミリ秒以下のオーダーになる。次に、測定された各層の瞬時値は、流況の変動や配管の入口における圧力の時間的挙動を反映した時間間隔Ｔで平均化されるが、一般に数百ミリ秒から数分程度の変動がある。各層の得られた平均速度値（Ｖｉａｖは、その後、選択された時間間隔Ｔの間の総質量Ｍの流れを決定するために用いられ、これは、時間Ｔの間に層ｉを通って移動した質量ｍｉを以下の式によって決定することによって行われる。
ｍｉ＝ρ☆Ｓｉ☆Ｖｉａｖ＊‘１’
ここで、ρは流体密度を表し、Ｓｉはi番目の層の面積を表す。
すべての層の質量を合計することで、時間間隔Tの間に移動した総質量が得られる。瞬時速度および平均速度の値は、それぞれ瞬時速度プロファイルおよび平均速度プロファイルを表し、流れの領域を表すことに注意する必要がある。したがって、この方法は特定の流れの領域に限定されるものではなく、層流、乱流、または中間領域の流れに適用することができる。
また、各層の平均速度の精度は、同じ層で測定された瞬時速度の精度とほぼ等しく、非常に高い値に達することがあることに注意する必要がある。仮想層の数が多いほど、伝達される質量の正確な値が得られ、全質量に対応する平均流速Ｖの精度（Ｖ= Ｍ／ρＳＴ 、Ｓはパイプ断面積）は、単一層での瞬時流速の測定許容値に近づくことになります。
一般に各相の光学特性は大きく異なるので、この方法は多相流にも拡張可能である。流れ間の屈折率や散乱強度の変化は、適切な画像解析アルゴリズムによって簡便にタグ付けでき、この方法は各相に個別に適用することができる。

Claims (8)

  1. 流体が流れるパイプに光ビームを照射し、前記光ビームが前記パイプ内を流れる流体を照らすステップと；
    光検出器アレイを使用して、前記ビームと前記流体内に見られる粒子との散乱によって生じる光を検出し、前記光ビームは前記光検出器アレイの視野の外にあるステップと；
    前記光検出器アレイの視野を層に分け、前記層のそれぞれで前記光検出器アレイから送信される信号の関数として前記層のそれぞれの瞬時流速を求めるステップと：を含む流体流量測定方法。
  2. 前記層の前記瞬時流速を使用して、前記パイプ内を流れる流体の局所的な流速の分布マップを作成することを含む、請求項１に記載の方法。
  3. 前記マップの経時変化を測定し、流体の粘度の経時変化を導出することを含む、請求項２記載の方法。
  4. 前記瞬時速度測定の各々の時間間隔は、前記光検出器アレイのフレームレートと、瞬時速度測定に必要な隣接フレーム数とによって決定される、請求項１記載の方法。
  5. 前記パイプの入口における流況の変動及び圧力の時間的挙動を決定するために、時間間隔にわたって前記層の各々についての前記瞬時速度測定を平均化する、請求項４記載の方法。。
  6. 前記各層における前記流体の密度及び前記瞬時流速を考慮して、前記各層における質量流量を計算することを含む、請求項１に記載の方法。
  7. 前記質量流量を合計して総質量流量を決定することを含む、請求項６に記載の方法。
  8. 前記質量流量を用いて平均質量流量を決定することを含む、請求項６に記載の方法。
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