JP2023534491A - 液体を含む流体の流量を測定するためのロータシステム及び関連機器 - Google Patents

Abstract

本発明は、流体が流れる本体（１１００）と、流体によって回転されるように構成された少なくとも１つのロータ（１１０１）と、ロータ（１１０１）の回転速度を測定するための装置（１１１）と、を備えた、液体を含む流体の流量を測定するためのシステム（１１）に関する。測定装置（１１１）は、ロータ（１１０１）の回転軸（Ａ）に略垂直な方向にロータ（１１０１）のベーン（１１０１ｂ）に入射光を伝送し、ベーン（１１０１ｂ）からの反射光を受光するように構成された光モジュール（１１１１）を備えている。測定装置（１１１）は、反射光放射に応じてロータ（１１０１）の回転速度を決定し、流体の流量を決定するように構成された換算モジュール（１１１３）を更に備えている。

Description

本発明は、液体を含む流体の流量を測定するシステムの分野に関する。本発明は、化学、薬学、アグリビジネス（agribusiness）、石油化学または建設用途のための液体流体または液体を含む流体の流量を光学的に測定するのに特に有利な用途を有している。

多くの用途で、正確且つ信頼性の高い流体の流量測定を行うことが要請されている。流体の流量測定は、例えば、方法の正しい操作のため、または安全性検査のために必要とされ得る。化学、薬学、アグリビジネス、石油化学、または建設の分野が特に挙げられ得る。

流体の流量を測定するために、流量センサとも呼ばれる流量測定システムがいくつか存在する。特定の流量センサは、その圧力またはその圧力の変動から流体の流量を決定している。圧力差流量センサは、例えば、導管内の流体の流れを制限するように構成され、従って、例えば、ベンチュリ効果によって圧力の低下を生じさせる。しかしながら、これらの流量センサは負荷損失をもたらし、流体の流れを妨害する。更に、流体の流速が低い場合に精度が制限されるピトー管についても言及することができる。より一般的には、圧力に基づく流量センサは、流体の圧力の制御されない変動に敏感であるという欠点を有している。このような変動は、例えば、ガス相（gaseous phase）と蒸気相（vapour phase）との間の二相流体において生じ得る。従って、それらの測定精度は制限される。

他の流量センサは、磁気効果を使用して流体の流量を決定している。例えば、ホール効果流量センサまたは電磁検出と結合されたロータ流量センサを挙げることができる。しかしながら、これらの流量センサは、近接電磁環境（proximity electromagnetic environment）に対して敏感であり、そのため、それらを測定する精度が制限される。更に、磁気効果に基づく検出は、流量センサの構成材料及び流体の性質にストレスを生じさせる。

光学測定に基づく流量センサがある。ロータと、ロータの回転速度を光学的に測定する装置とを含むシステムは、特に、特許文献１から知られている。このために、測定装置は、ロータの回転軸に平行な方向にロータのベーンに光放射を加えるように構成されている。実際には、このタイプの流量センサは満足な精度を提供しないことが証明されている。

特許文献２、特許文献３、特許文献４及び特許文献５は、流体の流れ方向に平行な軸を中心として流体によって回転されるタービンを含む、流体の速度を測定するためのシステムを開示している。

特許文献６は、ケーシング１内に水平に取り付けられたブレード付きロータを含む流量センサを記載している。

これらの流量センサが提供する測定の精度は依然として改善を要する。

従来技術の解決策に記載された流量センサの精度を改善する必要がある。別の必要性は、例えば圧力、温度、流体の性質に関して、過酷な条件環境において十分な精度を有する流量センサを提案することである。

特開平１１－６４１１３号公報 米国特許第４８５１６６６号明細書 特開昭５７－１６８１１４号公報 英国特許出願公開第２０８３２１０号明細書 米国特許第３２１７５３９号明細書 仏国特許２２２２６３８号明細書

このために、本発明の目的は、従来の解決策を改善した、液体を含む流体の流量を測定するためのシステムである。

本発明の他の目的、特徴及び利点は、以下の説明及び添付の図面を検討すると明らかになる。他の利点を組み込むことができることも理解される。

この目的を達成するために、一実施形態によると、液体を含む流体の流量を測定するためのシステムが提供され、このシステムは、
－ 少なくとも１つの入口、少なくとも１つの出口、及び前記入口から前記出口への流体の流れのための少なくとも１つの通路を含む本体と、
－ 前記通路内に配置され、流体の流れによって軸を中心に回転するように構成された少なくとも１つのロータと、
－ 前記ロータの回転速度を測定するための装置であって、
＊ 入射光放射（incident light radiation）を発する発光モジュールと、
＊ 光モジュールであって、
〇 発光モジュールからの入射光放射を前記ロータのベーンに伝送し、
〇 前記ロータの前記ベーンでの、入射光放射の反射による反射光放射（reflected light radiation）を受光するように構成された、
光モジュールと、
＊ 換算モジュールであって、
〇 前記反射光放射に応じて前記ロータの回転速度を決定し、
〇 前記ロータの前記回転速度に応じて前記流体の流量を決定するように構成された、
換算モジュールと、
を備えた回転速度を測定するための装置と、
を具備している。

有利には、光モジュールは、入射光放射が、ロータの回転軸に略垂直な方向にロータのベーンに入射するように構成されている。

好ましくは、ロータは複数のベーンを更に備え、少なくとも１つのベーンは異なる光放射の反射係数を有し、例えば少なくとも１つの他のベーンの光放射の反射係数よりも小さい。

従って、入射放射は、光モジュールによって、ロータ上に半径方向に印加されている。従って、流体の流れ方向において、光モジュールの体積（bulk）は、従来の解決策に対して低減されている。流体がロータでシステム内を流れるとき、流れのラインにより乱流が生じる。光モジュールは、流体の流れ方向には配置されず、流体に対して垂直に配置されるので、光モジュールに対するこれらの乱流の影響は最小限に抑えられる。従って、流量の測定の精度は、従来の解決策に対して向上している。

更に、光モジュールは、流体の流れに沿って配置されず、この流れは、流量の測定によって中断されない。しかしながら、この構成は、流体の流れにおける負荷損失を最小限にする。従って、流体の流れに対する測定の影響は、従来の解決策に対して最小化される。従って、測定システムは、流体の流量の正確で信頼性のある測定を可能にしている。

更に、流量を測定するために提案されたシステムは、不均一な流体、典型的には二相流体（液体及び気体含む流体、または液体及び固体要素を含む流体）または三相流体（液体、気体及び固体要素を含む流体）に対して正確で信頼できる測定を可能にすることが証明された。従って、本発明の適用分野は特に多く、且つ多様である。

別の解決策は、入射光放射を専用部分に半径方向に照射し、マークを付け、このマークを読み取ることを可能にすることにより提供することができる。この解決方法に関して、本発明によって提案されるシステムは、
－ 流体の流れ方向におけるシステムの体積を最小限に抑えることによって、流れの中断を減少させ、
－ 流量のより正確で信頼できる測定ができ、
－ 部品点数を少なくできている。
従って、システムはより簡単で信頼性の高いものとなる。

また、ロータのベーンの（複数の）材料が異なる反射係数を有するため、ベーンを構成する材料に応じて光ビームの反射が程度の差はあるが顕著になる。従って、反射光放射は、それが反射されるベーンに従って変調され、ロータの回転数／時間単位の決定を容易にし、信頼性のあるものにしている。従って、流量の測定精度を更に向上させることができる。この解決策は、ロータの各ベーン上に反射面を実装する解決策とは明らかに異なる。

一例によれば、少なくとも１つのベーンのアセンブリは、少なくとも１つの他のベーンのアセンブリを構成する材料とは異なる材料で構成され、光放射の異なる反射係数を有し、例えば、少なくとも１つの他のベーンを構成する材料よりも小さい。別の例によれば、少なくとも１つのベーンは、少なくとも１つの他のベーンのコーティング及び／または材料とは異なるコーティングでコーティングされ、光放射の異なる反射係数を、例えば、少なくとも１つの他のベーンを構成する材料よりも小さくしている。

有利には、測定装置は、光モジュールを本体に接続するためのモジュールを更に含むことができる。接続モジュールは、光モジュールと通路との間に流体シール接合を確立するように構成されている。従って、光モジュールは、流れを測定するために求められる流体と直接接触しない。従って、このシステムは、例えば圧力、温度、流体の性質、及び／または照射放射に関して、過酷な条件環境において十分な精度を提供している。

有利なことに、接続モジュールは、入射光放射及び反射光放射の密封性且つ透明性を有する接合部（sealed and transparent junction）を確立するように構成されている。

第２の態様は、流動する液体を含む流体を収容するように構成されたチャンバと、第１の態様による液体を含む流体の流量を測定するためのシステムとを備える機器に関する。チャンバは、測定システムの本体とは別の壁によって区切られている。

一例によれば、チャンバは、２００バール未満の圧力及び／または３５０℃未満の温度の液体を含む流体、及び／または１～１０００ｍ^３／Ｈ、好ましくは１～１０ｍ^３／Ｈの流量で流れる流体を含むように構成されている。

一例によれば、チャンバは、１０バール未満の圧力及び／または１２０℃未満の温度の液体を含む流体、及び／または１～１０００ｍ^３／Ｈ、好ましくは１～１０ｍ^３／Ｈの流量で流れる流体を含むように構成されている。

第３の態様は、第１の態様による測定システムを通って流れる流体及び／または第２の態様による機器に流入する流体の流量を測定するための方法であって、
－ 発光モジュールによって入射光放射を発光し、
－ 入射光放射が、ロータの回転軸に略垂直な方向にロータのベーンに入射するように、ロータのベーン上の発光モジュールからの入射光放射を、光モジュールによって伝達し、
－ ロータのベーンへの入射光放射を反射し、
－ 反射された放射を、光モジュールによって受光し、
－ ロータの回転速度を決定し、次いで、ロータの回転速度に従って流体の流量を決定するために、反射された放射（reflected radiation）を換算モジュールによって換算している。

本発明の一実施形態の一例による装置の概略組立図である。 本発明の一実施形態の一例による測定システムの機能図である。 本発明の実施形態の異なる実施例による流体の流量を測定するための方法のステップの簡略図である。 本発明の実施形態の異なる実施例による流体の流量を測定するための方法のステップの簡略図である。 図１に示す測定システムの作動モジュールの縦断面図である。 図４に示す測定システムの作動モジュールの横断面図である。 ブラッグ回折格子を含む光ファイバの動作原理を示す図である。

本発明の目的、目的、並びに特徴及び利点は、以下の添付図面によって例示される実施形態の詳細な説明から最も良く明らかになる。

図面は例として示されており、本発明を限定するものではない。それらは、本発明の理解を容易にすることを意図した原理的な概略的表現を構成しており、必ずしも実用上の縮尺に沿ったものではない。

本発明の実施形態の詳細な検討を始める前に、測定システムの任意の特徴を以下に述べるが、これらは任意に関連してまたは代替的に使用することができる。

－ 一例によれば、ロータは、例えば少なくとも１つの他のベーンよりも小さい、光放射の異なる反射係数を有する１つの単一のベーンを備えている。
－ 一例によれば、ロータは、少なくとも１つの他のベーンよりも大きい光放射の反射係数を有する１つの単一のベーンを備えている。
－ 光モジュールは、ロータの外径の１ｃｍ未満、５ｍｍ未満、あるいは２ｍｍ未満の距離で、ロータの回転軸に略垂直な方向に、配置された入射光放射の伝送部分を含む。従って、光モジュールは、ロータのベーンにできるだけ近い位置での測定を可能にしている。従って、流量測定の精度は、不均一な流体または不透明な流体に対して維持される。
－ 光モジュールは、少なくとも流体によってロータから分離されるように構成されている。一例によれば、入射光放射の伝送部分は、ロータの回転軸に略垂直な方向に、ロータの外径から０でない距離に配置される。
－ 光モジュールは光ファイバを含む。一例によれば、光ファイバは、伝送部分と、発光モジュール及び受光モジュールのうちの少なくとも１つとの間に、目的とする用途に応じて適応可能な長さ、例えば、０．５ｍを超える長さ、場合によっては１ｍの長さを有している。
－ 光モジュールは近接検出光ファイバ（proximity-detecting optical fibre）を含む。
－ 流体は液体である。あるいは流体は、液体と、気体または固体要素のうちの少なくとも１つとを含む。従って流体は、液体と固体または液体と気体の混合物、または液体と固体と気体であっても良い。
－ 例によれば、流体は主に液体である。前記測定装置において、液体は、流体の体積の少なくとも７０％、好ましくは少なくとも８０％を占めている。
－ 好ましくは、軸は、流体がそれに従って通路に流入することが意図される主方向に略平行である。
－ 好ましくは、本体は、その入口と出口との間で、主としてロータの回転軸と平行な方向に、好ましくは同一の方向に延在している。
－ 光モジュールは、例えば受光モジュールを介して、反射光放射を換算モジュールに伝送するように構成されている。
－ 本体は、流動する流体と接触するように構成された外壁を有している。本体は、流動する流体を含むチャンバ内に配置することができる。
－ 流体の一部のみが本体の通路に流れ込むことができる。これにより、システムで発生する負荷損失を低減することができる。
－ ロータは、複数のベーンを備え、少なくとも１つのベーンは、光放射の反射係数が他のベーンを構成する材料よりも小さい材料で構成されている。
－ ロータは少なくとも４つのベーンを備え、少なくとも２つのベーンはプラスチック材料で作られ、少なくとも２つのベーンは金属で作られ、好ましくは少なくとも２つの金属ベーンはステンレス鋼で作られている。
－ 各ベーンは１つの材料のみで構成されている。従って、ロータの製造、従ってシステムの製造が簡略化されている。ベーン間の反射差は、放射が反射されるベーンの表面全体に亘って発生し、流量の測定の精度も向上する。
－ ロータの（服すの）ベーンは、代替的にはっきりと異なる反射係数（distinct reflection coefficients）を有している。従って、反射光放射の変調は、光放射が反射される連続するベーンによって生じる。
－ 発光モジュールはレーザ源を含む。この例によれば、換算モジュールは、レーザ干渉計を含むことができる。
－ 前記光モジュールは、ブラッグ回折格子を含む光ファイバを含む。従って、測定装置は、流体の流量測定だけでなく、更に、流体の温度及び圧力のうちの少なくとも１つの測定を可能にしている。
－ 発光モジュールは、６００ｎｍから２０００ｎｍの間の波長を有する入射光放射を発光するように構成されている。
－ システムは以下で構成される：
＊ 本体内を流れる流体の圧力に関連するパラメータを測定するように構成された少なくとも１つの圧力センサであって、このパラメータは、例えば、流体の圧力である、圧力センサと、
＊ 本体内を流れる流体の温度に関するパラメータを測定するように構成された少なくとも１つの温度センサであって、このパラメータは、例えば、流体の温度である、温度センサ。

これにより、限られた体積を維持しながら、測定システムの配置及び保守を単純化することによって、流体に関するより多くのデータを収集することが可能になる。

測定方法は、測定システムの特徴の実施から生じる任意のステップを有することができることに留意されたい。

本特許出願において、２つのパーツが別個であると示されている場合、これは、これらの部分が分離されて、次のいずれかであることを意味している：
－ 互いに離れた位置にあること、
－ 互いに対して移動可能、及び／または、
－ インサートで固定することによって互いに固定されており、この固定は取り外し可能であるか否かを問わない。

従って、単一のワンピースパーツは、２つの異なるパーツで構成することはできない。

以下の詳細な説明では、「長手方向」、「横方向」、「上方」、「下方」、「頂部」、「底部」、「前部」、「後部」、「内側」、「外側」等の用語が使用される場合がある。これらの用語は、装置及び／または測定システムの通常位置に相対的に関連して解釈しなければならない。例えば、「長手」方向は、測定システムの作動モジュールの主延伸方向（main extension direction）に対応している。

また、縦方向または前／後方向がｘ軸に対応し、横方向または右／左方向がｙ軸に対応し、下／上方向がｚ軸に対応するマーカが使用されている。

「内部」とは、装置及び／または測定システムから内側に回転する要素または面を指し、「外部」とは、装置及び／または測定システムから外側に回転する要素または面を指す。

所与の値に「実質的に等しい／より大きい／より小さい」パラメータによって、これは、このパラメータが所与の値に、この値のプラスマイナス１０％、プラスマイナス５％であっても、等しい／より大きい／より小さいことを意味している。

本特許出願では、流体が少なくとも部分的に、更には全体的に液体状態である場合、流体は液体であると考えられる。従って、流体が部分的に気体状態にあることも、流体が僅かな固体部分（solid fraction）を含むことも除外されない。

次に、図１を参照して装置１の詳細を説明する。装置は、チャンバ１０を含む。チャンバ１０は、流動する液体を含む流体を収容するように構成されている。チャンバ１０は、少なくとも部分的に、更には全体的に、壁１００から区切られている。チャンバは、例えば、タンクまたは導管である。

流動する流体は、例えば、圧力、温度、流体の性質に関して厳しい条件環境を形成する場合がある。一例によれば、流体は更に腐食性を有する場合がある。一例によれば、流体は、少なくとも部分的に、更には全体的に液体状態であるような、圧力及び温度条件に曝される。装置１、特にチャンバ１０は、加圧された及び／又は高温の流体を収容するように構成することができる。装置１は実質的に、流体が、チャンバ１０の圧力条件下で、流体の融点と３５０℃との間、更にはチャンバ１０の圧力条件下で、流体の融点と１２０℃との間の温度にあるように構成することができる。装置１は、流体が少なくとも部分的に液体を維持するのに十分な圧力であるように構成することができる。流体の圧力は、更に、実質的に２００バール未満であっても良く、１５５バール未満であっても良い。一例によれば、流体の圧力は、更に、実質的に１０バール未満であり得る。装置１は、流体が１～１０００ｍ^３／ｈ、好ましくは０．１～５ｍ^３／ｈの流量で流れるように構成することができる。

例えば、装置１のチャンバ１０は、石油化学流体循環チャネル（petrochemical fluid circulation channel）等の石油化学用途のためのチャネルである。別の例によれば、チャンバ１０は、溶媒、試薬、または生成物が化学、薬学、またはアグリビジネス用の機器１内を循環する導管である。一例によれば、チャンバ１０は、給水導管または排水導管等の建物の導管である。

この装置は更に、少なくとも流動流体の流量を測定するように構成されたシステム１１を含む。このために、機能図２に示すように、システム１１は、図１に矢印Ｆで示す流体の流れによって駆動されるように構成された作動モジュール１１０を含む。作動モジュール１１０は、流体が例えば長手方向ｘに流れる本体１１００を含む。作動モジュール１１０は、本体１１００の内部に配置された少なくとも１つのロータ１１０１を更に備える。ロータ１１０１は、軸線Ａを中心として回転するように構成されている。回転軸Ａは、本体１１００内の流れ方向ｘと略平行である。

システム１１は更に、ロータ１１０１の回転速度を測定する装置１１１を含む。測定装置１１１は、ロータ１１０１の回転速度を光学的に決定するように構成されている。このために、機能図２に示すように、測定装置１１１は、光放射を発光する発光モジュール１１１０と、光モジュール１１１１と、光放射を受光する受光モジュール１１１２と、換算モジュール１１１３とを備えることができる。

ここで、流体の流量を測定するためのシステム１１及び方法２の機能的な動特性を図１、図３Ａ及び図３Ｂに関連して説明する。図３Ａ及び図３Ｂでは、任意追加のステップが点線で示されており、後続するステップとして記載されている。発光モジュール１１１０は、いわゆる入射光放射を発光している（２０）。光モジュール１１１１は、発光モジュール１１１０からの入射光放射を作動モジュール１１０に、より具体的には、流体によって回転されたロータ１１０１に伝送するように構成されている（２１）。

ロータ１１０１において、入射光放射は、ロータ１１０１のベーン１１０１ｂ上で反射されている（２２）。光モジュール１１１１は、反射光放射を受光するように構成されている。次いで、光モジュール１１１１は、反射光放射を換算モジュール１１１３に伝送することができる（２５）。この伝送（２５）は、反射光放射を対応する物理信号、例えば電気信号に換算するように構成された受光モジュール１１１２によって行うことができる。換算モジュール１１１３は、受光モジュール１１１２を含むことができる。

反射光放射は、軸Ａを中心とするベーン１１０１ｂの回転に従って変調されている。例えば、反射光放射の強度は、ベーン１１０１ｂの回転によって変調されている。換算モジュール１１１３は、反射光放射又は対応する物理信号を、ロータ１１０１の回転速度に対応する時間単位当たりのロータ１１０１の回転数に換算するように構成されている。ロータ１１０１の回転速度に従って、換算モジュール１１１３は、流体の流量を決定するように構成されている。従って、換算モジュール１１１３は、反射された放射を流体流量に換算することを可能にする（２４）。

光モジュール１１１１は、入射光放射が、ロータ１１０１の回転軸Ａと略直交する方向ｚにロータ１１０１のベーン１１０１ｂに入射するように構成されている。光モジュール１１１１は、光モジュール１１１１の入射光放射を作動モジュール１１０に伝送するように構成された入射光放射の伝送部分１１１１ｃを含むことができる。

伝送部分１１１１ｃは、入射光放射及び反射光放射の光モジュール１１１１への通過を可能にすることができる。伝送部分１１１１ｃは、ロータ１１０１の回転軸Ａと略直交する方向ｚに延在していて良い。光モジュール１１１１の体積は、ｘ方向で最小化されている。従って、流体の流れにおける負荷損失が最小限に抑えられる。従って、測定システムは、流体の流量の正確で信頼性のある測定、特に、測定される値の１％未満の精度を可能にしている。

次に、システム１１の各モジュールの相対的な配置について説明する。作動モジュール１１０の本体１１００は、チャンバ１０の壁１００の連続部分に配置することができ、一体部分を形成することさえできる。このために、本体１１００の各端部は、チャンバ１０の壁１００に接続するための部分を含むことができ、流体をチャンバ１０から本体１１００によって画定された通路に導くように構成され、及び／またはチャンバ１０の壁１００と本体１１００によって画定された通路との間で流体的にシールされる接合部を形成している。

本体１１００は、チャンバ１０の壁１００とは別個であることが好ましい。本体１１００は、流動する流体と接触するように構成された外壁１１００ｄを有することができる。従って、作動モジュール１１０、従って本体１１００、並びにロータ１１０１は、チャンバ１０内に収容された流体内に浸漬され、好ましくは完全に浸漬されている。図１に示すように、作動モジュール１１０は、流動する流体を含むチャンバ１０内に配置することができる。従って、このシステムは、最新の装置１内の流体の流量を測定するように構成されている。一例によれば、本体１１００は、方向ｘにおける本体１１００の長さに等しい長さに亘って、チャンバの内壁によって区切られる体積の１／３未満、１／５未満、１／１０未満の体積を画定している。本体１１００がチャンバ１０の壁１００と区別される場合、本体１１００の端部は、チャンバ１０の壁１００に接続するための部分を有さないことができ、これらの接続部分は、流体をチャンバ１０から本体１１００によって画定される通路に導くように構成され、及び／またはチャンバ１０の壁１００と本体１１００によって画定される通路との間に流体密封接合部（fluidically sealed junction）を形成するように構成されている。

一例によれば、作動モジュール１１０は、チャンバ１０上に手動で、またはツールを用いて取り外し可能に取り付けられる。作動モジュール１１０は、チャンバ１０の壁１００上、またはチャンバ１０内に配置された機器１の任意の部分上に取り付けることができる。従って、作動モジュール１１０は、必要に応じてチャンバ１０に導入、及びチャンバ１０から取り外すことができる。モジュール１１０が例えばメンテナンスのために一旦取り外されたとしても、チャンバ１０は、その完全な状態（integrity）を維持することができる。流体の一部のみが、本体１１００内を更に流れることができる。これにより、システム１１が発生し得る負荷損失が更に低減されている。流体の流れに対する測定の影響は、更に最小化されている。

一例によれば、光モジュール１１１１は、導波路、より具体的には光ファイバ１１１１ａを含む。図１に示すように、光ファイバ１１１１ａは、伝送部分１１１１ｃと発光モジュール１１１０との間に延在していて良い。光ファイバ１１１１ａは、伝送部分１１１１ｃと、受光モジュール１１１２及び換算モジュール１１１３のうちの少なくとも一方との間に延在していて良い。光ファイバ１１１１ａは、測定が行われるロータ１１０１の発光モジュール１１１０及び換算モジュール１１１３をオフセットすることを可能にしている。従って、システム１１は、限られた幾何学的形状を有する環境内の流体の流量を測定するように構成されている。システム１１は更に、発光モジュール１１１０、受光モジュール１１１２、及び換算モジュール１１１３の損傷の可能性を回避することによって、過酷な条件環境における流体の流量を測定するように構成されている。伝送部分１１１１ｃは、光ファイバ１１１１ａの遠位端に配置されることが好ましい。光ファイバ１１１１ａは目的の用途に応じて調整可能な長さを有していて良い。その長さは、送信部分と：発光モジュール１１１０との間、及び／または受光モジュール１１１２との間、及び／または換算モジュール１１１３との間で、例えば０．５ｍよりも長く、更には１ｍよりも長い長さを有することができる。

図４に示すように、光ファイバ１１１１ａは、中空ケーブルとも呼ばれるシース１１１１ｂの内部に配置することができ、作動モジュール１１０を、発光モジュール１１１０及び／または受光モジュール１１１２及び／または換算モジュール１１１３に、更にはこれら３つのモジュールによって形成されるアセンブリに接続している。好ましくは、シース１１１１ｂは、光ファイバ１１１１ａの局所的な折り曲がりを回避するように構成されている。図１に示されるように、作動モジュール１１０がチャンバ１０内に配置される場合、シース１１１１ｂは、チャンバの壁１００と作動モジュール１１０との間に、流体の流れ方向に対して垂直に配置され得る。シース１１１１ｂは、特に流体の温度及び圧力に応じて、流動する流体中でわずかに変形可能であるように選択することができる。シース１１１１ｂは、流体シールされることが好ましい。例えば、シース１１１１ｂは、少なくとも１つの金属層を含むか、または金属、好ましくはステンレス鋼で作られる。

測定装置１１１は、流体と光モジュール１１１１との間の密封接合部１１２０を確保するように構成された接続モジュール１１２を更に備えることができる。封止された密封接合部１１２０は、流体が光モジュール１１１１に浸透するのを回避することを可能にしている。図４に示すように、密封接合部１１２０は、光モジュール１１１１と作動モジュール１１０の本体１１００内を流れる流体との間に配置された第１の部分１１２０ａを含むことができる。この第１の部分１１２０ａは、特に、光モジュール１１１１の伝送部分１１１１ｃとロータ１１０１との間で、光放射の光路上に配置することができる。従って、この第１の部分１１２０ａは、使用される光放射に対して透明性を有している。第１の部分１１２０ａの材料は、流体の温度に応じて変化することができる。例えば、実質的に１００℃未満の熱伝達流体の温度に対して、シールされた密封接合部１１２０の第１の部分１１２０ａは、ガラスベースであるか、またはガラスで作製され得る。別の例によれば、実質的に１００℃と５００℃との間の熱伝達流体の温度に対して、シールされた密封接合部１１２０の第１の部分１１２０ａは、サファイアベースであるか、またはサファイアで作製することができる。第１の部分１１２０ａの厚さは、本体１１００内を流れる流体と光モジュール１１１１との間の圧力差に応じて適合させることができる。密封接合部１１２０の第１の部分１１２０ａは、より具体的には、実質的に６００バールまでの流体の圧力に適合するように構成することができる。密封接合部１１２０は、第２の部分１１２０ｂを含むことができる。この第２の部分１１２０ｂは、本体１１００の外側を循環する流体が光モジュール１１１内に浸透しないように、本体１１１１とシース１１００ｂとの間に配置され得る。例えば、この第２の部分はステンレス鋼でできている。

次に、作動モジュール１１０及びその光モジュール１１１１との協働について、図４及び図５を参照してより詳細に説明する。本体１１００は、少なくとも１つの入口１１００ａ及び少なくとも１つの出口１１００ｂを有している。それは更に、入口１１００ａから出口１１００ｂへの流体の流れのための少なくとも１つの通路１１００ｃを有している。本体１１００は、通路１１００ｃがチャンバ１０内の流体の流れ方向ｘと略平行となるように配置されて、流量の測定が可能な限り信頼できるようにすることができる。

本体１１００は更に、光モジュール１１１１の通路開口部を有している。光モジュール１１１１の伝送部分１１１１ｃ及び／または密封接合部１１２０の第１の部分１１２０ａは、本体１１００の内面１１００ｅと同一平面になるように、この開口部に配置することができる。従って、光モジュール１１１１は、流体の通路１１００ｃを貫通すること無く、ロータ１１０１にできるだけ近接して配置されている。伝送部分１１１１ｃがロータ１１０１に対してオフセットしたり変形したりすることは無い。従って、光放射の光路は、流体の流れによって影響されない。更に、従って、本体１１００の内側の水力直径は変更されない。本体１１００内の流れのプロファイルは、光モジュール１１１１によって乱されない。

作動モジュール１１０は、少なくとも１つのロータ１１０１、好ましくは１つの単一ロータ１１０１を備え、好ましくは一体型である。このようにして、流体の流れ方向ｘにおけるロータ１１０１の体積は最小化され、流体における負荷損失を更に最小化している。ロータ１１０１は、回転軸Ａに沿って延在し、流体の流れ方向ｘに略平行なハブ１１０１ａを含む。ハブ１１０１ａは、シャフト１１０１ｃに取り付けることができる。シャフト１１０１ｃは、本体１１００の内側面１１００ｅの少なくとも１つの点から別の点まで延在している支持体１１０２上に取り付けることができる。支持体１１０２の切断面（ｙ、ｚ）において、支持体１１０２は、通路１１００ｃの表面の５０％未満、更には７０％未満、更には８５％未満の部分を占めることが好ましい。従って、支持体は、作動モジュール１１０内を通過する間の流体の負荷損失を最小限に抑える。

ロータ１１０１は、回転軸Ａに対して半径方向に延在している複数のベーン１１０１ｂ、１１０１ｂ’を備えている。密封接合部１１２０の伝送部分１１１１ｃ及び／または第１の部分１１２０ａは、ロータ１１０１の回転軸Ａと直交する方向ｚに、ロータ１１０１の外径から１ｃｍ未満、５ｍｍ未満、１ｍｍ未満の距離、好ましくは０でない距離で配置されている。流体が不均一である場合、例えば図５に示されるように、伝送部分１１１１ｃとベーン１１０１ｂ、１１０１ｂ’の端部１１０１ｂａとの間の固体粒子の通過は制限される。固体粒子が光放射の通過を妨害するリスクは限定的である。更に、流体が不透明である場合、この距離は、伝送部分１１１１ｃとこの端部１１０１ｂａとの間の光放射の通過を確実にしている。従って、不透明な流体であっても流量の測定精度が維持されている。入射光放射の光パワーの７０％以上が５ｍｍの厚さに亘って流体によって吸収される場合、流体は所与の波長において不透明であると考えられる。

一例によれば、ベーン１１０１ｂ、１１０１ｂ’の遠位端１１０１ｂａの回転によって規定されるロータ１１０１の外径Ｄ_１１０１は、以下の関係によって決定することができる。

Ｄ_１１０１＝Ｄ_１１００－ｄであり、Ｄ_１１００は、本体１１００の内径であり、ｄは、好ましくは０でない、１ｃｍ未満、好ましくは５ｍｍ未満、より好ましくは２ｍｍの距離である。

ロータ１１０１の特徴は、更に、測定される流体の流量範囲に従って選択され得ることに留意されたい。これらの特徴は、例えば、ロータ１１０１の長手方向寸法、及び／又はベーン１１０１ｂ、１１０１ｂ’の数であり得る。

一例によれば、ロータ１１０１はベーン１１０１ｂ、１１０１ｂ’を備え、少なくとも１つのベーン１１０１ｂは、１つ又は他のベーン１１０１ｂ’とは異なる材料で作られているか、或いは１つ又は他のベーン１１０１ｂ’のコーティングまたは材料とは異なるコーティングで被覆されている。一例によれば、少なくとも１つのベーンは、他のベーンを構成する材料とは異なる材料で構成され、光放射の異なる反射係数を有し、例えば、他のベーンを構成する材料よりも小さい。

一例によれば、少なくとも１つのベーン１１０１ｂのアセンブリは、少なくとも１つの他のベーンのアセンブリを構成する材料とは異なる材料で構成され、光放射の異なる反射係数を有し、例えば、少なくとも１つの他のベーンを構成する材料の反射係数よりも小さい。別の例によれば、少なくとも１つのベーンは、少なくとも１つの他のベーンのコーティング及び／または材料とは異なるコーティングで被覆されており、これにより光放射の異なる反射係数を、例えば、少なくとも１つの他のベーンを構成する材料よりも小さくしている。

各ベーンは、より具体的には、１つの材料のみで構成することができる。従って、ロータの製造、従ってシステムの製造が簡略化される。一例によれば、少なくとも１つのベーンは、少なくとも１つの他のベーンの反射係数よりも小さいか又は大きい、光放射の異なる反射係数を有することができる。一例によれば、少なくとも１つのベーンは、光放射の反射係数が他のベーンを構成する材料よりも小さい材料で作製され得る。反射係数は、反射光の強度と入射光の強度との比で定義することができる。従って、光ビームは、ベーンに応じて、例えばベーンを構成する材料に応じて、多かれ少なかれ有意な反射を有している。従って、反射光放射は、それが反射されるベーンに従って変調され、ロータの回転数／時間単位の決定を容易にしている。従って、流量の測定精度を更に向上させることができる。各ベーン１１０１ｂ、１１０１ｂ’が１つの材料のみで構成されるか、またはコーティングによって完全に被覆される場合、ベーン１１０１ｂ間の反射差は、放射が反射されるベーンの表面全体に亘って生じる。ロータ１１０１の回転数／時間単位の決定が更に容易になり、流量の測定精度が更に向上している。異なる反射係数の材料は、金属とすることができ、磁性または非磁性であっても良く、好ましくはステンレス鋼及びプラスチックである。

一例によれば、ロータ１１０１のベーン１１０１ｂ、１１０１ｂ’は、代替的に異なる反射係数を有し、例えば、代替的に異なる反射係数を有する材料で構成されている。同様に、所定の反射係数を有するベーン１１０１ｂに対して、直接隣接しているベーン１１０１ｂ’は、異なる反射係数を有している。反射光放射の変調は、光放射が反射される連続するベーン１１０１ｂ、１１０１ｂ’に従って行われ、ロータの回転数／時間単位の決定を更に容易にしている。例えば、４つのベーンを含むロータの場合、ロータの回転軸線に対して対向する２つのベーン１１０１ｂ’は、例えば第１の材料で作られることによって第１の反射係数を有することができ、ロータの回転軸線に対して対向する他の２つのベーン１１０１ｂは、例えば第２の材料で作られることによって第２の反射係数を有することができ、第１の材料と第２の材料とは異なる反射係数を有している。

一例によれば、ロータ１１０１は、プラスチック材料で作られた少なくとも２つのベーン１１０１ｂ’と、磁性を有するか否かを問わないが、好ましくはステンレス鋼で作られた金属で作られた少なくとも２つのベーン１１０１ｂとを含む。従って、光ビームは、金属ベーン上で最大反射を有し、プラスチック材料ベーン上ではより少ない反射を有している。従って、反射光放射は、それが反射されるベーンに従って変調され、ロータの回転数／時間単位の決定を容易にしている。

次に、測定装置１１１の実施形態の例を詳細に説明する。一例によれば、発光モジュール１１１０、光モジュール１１１１、及び受光モジュール１１１２は、近接検出によって、ロータ１１０１の回転を検出するように構成することができる。近接検出では、発光モジュール１１１０と受光モジュール１１１２とが隣接している。光放射は、反射器によって反射されている。ロータ１１０１のベーン１１０１ｂ、１１０１ｂ’がビームを切断するとき、ベーンで反射された放射は、ベーン１１０１ｂ、１００１ｂ’の回転速度を検出することを可能にしている。このために、光ファイバ１１１１ａは近接光ファイバとすることができる。光放射は、赤外線範囲に属する波長を有することができる。従って、流体中の光放射の範囲は数ｍｍである。

発光モジュール１１１０は、６００～２０００ｎｍの波長を有する入射光放射を発光するように構成することができる。他の波長範囲に関しては、赤色または近赤外線の光源は安価であるが、流量を測定するのに十分な精度を提供している。

一例によれば、発光モジュール１１１０は、レーザ源を含む。この例によれば、換算モジュール１１１３は、レーザ干渉計を含む。レーザ源は、干渉法によってロータ１１０１の回転の検出を可能にする時間的にコヒーレントな放射を発光している。この分野で知られている方法では、干渉分光法（interferometry）は、波の干渉現象を使用する測定である。得られた干渉縞は、移動した光路の長さに関する情報を与える。この技術は、測定システム１１のコストを制限しながら、正確であるという利点を有している。

別の例によれば、光ファイバ１１１１ａは、ブラッグ回折格子を含むことができる。従って、測定装置１１１は、流体の流量測定だけでなく、流体の温度及び／または圧力の測定も可能にしている。ブラッグ回折格子光ファイバの動作は、図６に一例として示されている。ロータ１１０１のベーン１１０１ｂからの反射放射３は、伝送部分１１１１ｃによって光ファイバ１１１１ａを透過することができる。光ファイバ１１１１ａ内のブラッグ回折格子のパラメータに従って、ブラッグ波長３０と呼ばれる少なくとも１つの波長が、格子によって反射され、伝送部分１１１１ｃを通ってファイバから出てくる。従って、ブラッグ回折格子３１から出射する光信号は、少なくとも１つのブラッグ波長が減算された反射放射３から構成されている。流体の温度及び圧力は、例えば、膨張または変形、従って得られる光信号３１によって、ブラッグ格子のパラメータを変化させることができる。ブラッグ格子の拡張（dilatation）または変形は、この場合、ブラッグ格子上の流体の温度及び圧力の影響から拡大するのであって、ロータの回転によって誘発される機械的変形から生じるのではない。特に、光モジュール１１１１が、少なくとも流体によってロータ１１０１から分離されるように構成される場合である。図２の点線で示されるように、換算モジュール１１１３は、流量１１１３ａを換算するための手段、並びに温度１１１３ｂ及び圧力１１１３ｃを換算するための手段を備えることができる。図３Ｂに示すように、流体の流量を測定するための方法は、反射された放射を流体の温度及び／または圧力に換算することを更に含むことができる。

ブラッグ回折格子を含む光ファイバでは、光放射のスペクトル幅は、実質的に数ｎｍから数千ｎｍの間であり得る。

測定装置１１１は、例えば、光モジュール１１１１に追加して、圧力及び／または温度センサを含むことができることに留意されたい。図３Ａに示されるように、流体の流量を測定する方法は、流体の温度及び／または圧力の測定を更に含むことができる。

流体の流量を測定するための方法は、使用前の測定システムの較正を更に含むことができる。この較正は、例えば、装置１における測定システム１１の使用条件に応じて具体的に行うことができる。

上記の説明から、本発明は、液体を含む流体の流量を測定するためのシステムであって、従来の解決策に対して改善され、特に、流量測定の精度及び信頼性が従来の解決策に関して向上するシステムを提案することは明らかである。

１ 装置
１０ チャンバ
１００ チャンバの壁
１１ 流量を測定するための測定システム
１１０ 作動モジュール
１１００ 本体
１１００ａ 入口
１１００ｂ 出口
１１００ｃ 通路
１１００ｄ 外壁
１１００ｅ 内側面
１１０１ ロータ
１１０１ａ ハブ
１１０１ｂ ベーン
１１０１ｂａ 端部（遠位端）
１１０１ｂ’ ベーン
１１０１ｃ シャフト
１１０２ 支持体
１１１ 回転速度を測定する装置
１１１０ 発光モジュール
１１１１ 光モジュール
１１１１ａ 光ファイバ（導波路）
１１１１ｂ シース（中空ケーブル）
１１１１ｃ 入射光放射の伝送部分
１１１２ 受光モジュール
１１１３ 換算モジュール
１１１３ａ 流量を換算するためのサブモジュール
１１１３ｂ 温度を換算するためのサブモジュール
１１１３ｃ 圧力を換算するためのサブモジュール
１１２ 接続モジュール
１１２０ 密封接合部
１１２０ａ 第１の部分
１１２０ｂ 第２の部分
２ 測定方法
２０ 入射光放射の発光
２１ 入射光放射の伝送
２２ 入射光放射の反射
２３ 反射光放射の受光
２４ 流量への換算
２５ 反射光放射の伝送
２６ 圧力及び温度の測定
２６’ 温度への換算
２６” 圧力への換算
３ 反射放射
３０ ブラッグ放射
３１ ブラッグ回折格子から出た光信号

Claims (15)

1. 液体を含む流体の流量を測定するためのシステム（１１）であって
   － 少なくとも１つの入口（１１００ａ）と、少なくとも１つの出口（１１００ｂ）と、前記入口（１１００ａ）から前記出口（１１００ｂ）への流体の流れのための少なくとも１つの通路（１１００ｃ）と、を備える本体（１１００）と、
   － 前記通路（１１００ｃ）の内部に配置され、流体の流れによって、前記通路（１１００ｃ）に流体を流入させる主方向と略平行な軸（Ａ）を中心に回転するように構成された、少なくとも１つのロータ（１１０１）と、
   － 前記ロータ（１１０１）の回転速度を測定する測定装置（１１１）であって、
   ＊ 入射光放射を発する発光モジュール（１１１０）と、
   ＊ 光モジュール（１１１１）であって、
   〇 前記発光モジュール（１１１０）からの入射光放射を前記ロータ（１１０１）のベーン（１１０１ｂ）に伝送し、
   〇 前記ロータ（１１０１）の前記ベーン（１１０１ｂ）での入射光の反射による反射光放射を受光するように構成された、
   光モジュールと、
   ＊ 換算モジュール（１１１３）であって、
   〇 前記反射光放射に応じて前記ロータ（１１０１）の回転速度を決定し、
   〇 前記ロータ（１１０１）の回転速度に応じて前記流体の流量を決定するように構成された、
   換算モジュールと、
   を備えた測定装置（１１１）と、
   を備えているシステム（１１）において、
   前記光モジュール（１１１１）は、入射光放射が前記ロータ（１１０１）の前記回転軸（Ａ）に略垂直な方向に前記ロータ（１１０１）の前記ベーン（１１０１ｂ）に入射するように構成されており、
   前記測定装置（１１１）は、前記光モジュール（１１１１）を前記本体（１１００）に接続する接続モジュール（１１２）を更に備え、該接続モジュール（１１２）は、前記光モジュール（１１１１）と前記通路（１１００ｃ）との間に流体シール接合を確立するように構成されており、
   前記ロータ（１１０１）は、複数のベーン（１１０１ｂ、１１０１ｂ’）を備え、少なくとも１つのベーン（１１０１ｂ’）は、少なくとも１つの他のベーン（１１０１ｂ）の光放射の反射係数とは異なる光放射の反射係数を有する、ことを特徴とするシステム。
2. 前記光モジュール（１１１１）は、前記ロータ（１１０１）の外径から１ｃｍ未満、好ましくは５ｍｍ、好ましくは２ｍｍの距離で、前記ロータ（１１０１）の回転軸（Ａ）に略垂直な方向に配置された前記入射光放射を伝送するための伝送部分（１１１１ｃ）を備えた、請求項１に記載のシステム。
3. 前記光モジュール（１１１１）は、光ファイバ（１１１１ａ）を備えた、請求項１または２に記載のシステム。
4. 前記光モジュール（１１１１）は、近接検出光ファイバ（１１１１ａ）を備えた、請求項３に記載のシステム。
5. 前記光モジュール（１１１１）は、前記反射光放射を前記換算モジュール（１１１３）に伝送するように構成された、請求項１～４のいずれか一項に記載のシステム。
6. 前記本体（１１００）が、流動する前記流体と接触するように構成された外壁（１１００ｄ）を備えた、請求項１～５のいずれか一項に記載のシステム。
7. 少なくとも１つのベーン（１１０１ｂ’）が、他のベーン（１１０１ｂ）を構成する材料を構成する材料の反射係数よりも小さい反射係数を有する材料で作製されている、請求項１～６のいずれか一項に記載のシステム。
8. 前記ロータ（１１０１）は少なくとも４つのベーン（１１０１ｂ、１１０１ｂ’）を備え、少なくとも２つのベーン（１１０１ｂ’）はプラスチック材料で作られ、少なくとも２つのベーン（１１０１ｂ）は金属で作られている、請求項７に記載のシステム。
9. 前記発光モジュール（１１１０）がレーザ源を備え、前記換算モジュール（１１１３）がレーザ干渉計を備えた、請求項１～８のいずれか一項に記載のシステム。
10. 前記光モジュール（１１１１）は、ブラッグ回折格子を含む光ファイバ（１１１１ａ）を備えた、請求項１～８のいずれか一項に記載のシステム。
11. 前記発光モジュール（１１１０）は、６００～２０００ｎｍの波長を有する入射光放射を発光するように構成された、請求項１～１０のいずれか一項に記載のシステム。
12. － 前記本体（１１００）内を流れる前記流体の圧力に関するパラメータを測定するように構成された少なくとも１つの圧力センサ、
    － 前記本体（１１００）内を流れる前記流体の温度に関連するパラメータを測定するように構成された少なくとも１つの温度センサ、
    のうちの少なくとも１つを含む、請求項１～１１のいずれか一項に記載のシステム。
13. 流動する液体を含む流体を収容するように構成されたチャンバ（１０）と、請求項１～１２のいずれか一項に記載の流体の流量を測定するためのシステム（１１）と、を備えた装置（１）であって、
    前記チャンバ（１０）は、前記測定システム（１１）の前記本体（１１００）とは異なる壁（１００）によって区切られている、装置。
14. 前記チャンバ（１０）が、２００バール未満の圧力で、３５０℃未満の温度で、１～１０００ｍ^３／時の流量で流れる液体を含む流体を収容するように構成された、請求項１３に記載の装置。
15. 前記チャンバが、１０バール未満の圧力及び１２０℃未満の温度の液体を含む流体を収容するように構成された、請求項１４に記載の装置。

Images