JP3110048B2 - 二相流を解析するための方法および装置 - Google Patents

二相流を解析するための方法および装置

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Description

【発明の詳細な説明】 政府の権利 この出願は、契約書番号F29601−91−Ｃ−0055および
F29601−92−Ｃ−0035のもとに、合衆国空軍によって援
助された研究をベースとしている。それゆえ、政府は、
本発明に関して一定の権利を有している。
発明の属する技術分野 本発明は、超音波技術および他のセンサーを用いた二
相流のクオリティおよび質量流れを決定するための二相
流の解析方法と装置に関するものである。
従来技術 管中の二相流は、気・液、気・固、或いは、液・固の
それぞれ２相を含む流れである。気・液二相流の例とし
ては、パイプ中を流れる水と空気であり、気・固二相流
の例としては、パイプ中を流れる石炭の粒子と空気があ
る。導管中を流れる二相流の存在を決定するための超音
波法は、既知であり、例えば、US法令の発明登録No.H60
8にある。本質的には、パイプに対して垂直に超音波パ
ルスが送られ、もしもその流れが一相流であれば（例え
ば全て液体の場合）、戻りパルスは、戻りエコーとし
て、あるタイムラグの後に検出される。この戻りエコー
は、遠いパイプの壁から戻ってきたものでも、強く、そ
して、リーズナブルに鋭い。もし、気泡が液体中に乗せ
られていると、多重の小さな反射および拡散、あるい
は、遠いパイプの壁からの主たる戻りエコーの減衰があ
る。もしも、その境界がはっきりしている気・液の境界
面が、パイプ中に存在するような二相流である場合に
は、戻りエコーは十分強いが、時間的に早い場合には、
遠いパイプの壁から反射する代わりに気・液境界面から
跳ね返るので、ただ液体の流れだけが存在するのと同じ
ような状態になっている。最後に、流れがはっきりとし
た気・液境界面を有しており、液体中に気泡をも有して
いる場合には、液体中の気泡による多重の小さな反射が
存在し、戻りエコーは両方とも減衰され、液体のみが流
れる場合と比べて戻りの時間が早くなる。しかしなが
ら、このような測定方法は、二相流の存在のみを検出す
ることのみが可能であるが、二相流の内容を完全に明ら
かにすることができない。クオリティは、ガス状の相の
中の二相流の質量分率である。質量流れを伴うクオリテ
ィは、エネルギー量（エンタルピー）を決定する。そし
てこれは、流れによって対流し、それゆえ、この流れ系
の状態を定義するのに用いられる重要な変数である。従
って、クオリティおよび／または質量流れの測定は、流
れを十分に定義するのには必要なものである。質量流れ
の速度およびクオリティ測定は、その系における流れの
うち一相の速度を調整するのに不可欠なものである。
典型的な液・気二相流は、流れのパラメータおよび重
量に関する方向に依存して、管壁の一部あるいは全てと
接触する液相のフィルムを有している。液相は、連続的
な或いは間欠的な気体の流れから大きく分離している。
領域をはっきりと定義できるような液・気の境界面が存
在するので、境界条件を適当に等しくすることにより、
形状、流れ速度、液体と気体の流れの軸方向の圧力の低
下の振る舞いを分離して分析することが可能となる。管
中での液体の流れの厚さを決定することができれば、い
くつかの質量流れの速度に対するフィルム厚さに対する
クオリティの値を予測するために、様々な流れモデルを
用いることが可能となる。例えば、Wallis,G.B.,の、
“One−dimensional Two−Phase Flow"MacGraw−Hil
l、New York、New York,1969、pp.51−54およびpp.31
5−374、Lockhart,R.W.およびMartinelli,R.W.の“Prop
osed Correlation of Data for Isothermal Two
Phase,Two Components Flow in Pipis",Chemical
Engineering Progress、Volume 45、No.1,1949,pp.
39−48、および、Deissler,R.G.,“Heat Transfer an
d Fluid Friction for Fully Developed Turbule
nt Flow of Air and Super Critical Water wi
th Variable Fluid Properties",Transactons、ASME
volume 76、No.1,1954,pp.73である。しかしなが
ら、先駆者達が行った超音波法を用いた液体流の厚さを
検知するためのステップには問題があった。液体流の中
の気泡の存在、管中を移動している液体の大きな波の存
在、液・気境界面における小さなスケールでの厚さの変
化、そして、管内での他の同様な“カオス的な”状態
が、超音波技術を用いたフィルムの厚さを決定する能力
に大きな影響を与える。もしもこれらの条件のうち１つ
あるいはそれ以上が管の範囲内に存在するならば、超音
波トランスデューサからの戻りエコーをプロットして
も、フィルム厚さを示す良いインジケータにはならな
い。さらに、高いクオリティで、かつ、低い流量の場合
には、低いクオリティで、かつ、高い流量であるカオス
的な流れに帰結する。そのようなカオス的な流れの場合
には、既知のフィルム厚測定技術は、信頼できなくな
る。
それゆえ、そのようなカオス的な流れのみからの戻り
エコーの軌跡は、見た目上は、フィルム厚を指示する良
いインジケータではない。管壁に通常接触しているよう
な、液相のフィルムの厚さを測定するための他の技術と
しては、サンプリング、熱プローブ、フィルムの伝導率
或いは容量の測定、およびガンマ線濃度計が含まれる。
これらの各技術には、長所と短所とがあるが、超音波の
反射モードを用いたような場合の長所があるものはな
い。超音波技術は、非破壊的なものであり、迅速なレス
ポンスがあり、長い時間に亙って優秀な正確性と感度を
有し、非常に広い温度範囲内において、全ての作動流体
に適用できる。さらに、たとえ超音波を用いない厚さ測
定技術を用いたとしても、流れのクオリティおよび質量
流量を見積もるために用いられる様々な流れモデルは、
結果を不正確にする原因となるようないくつかの仮定に
基づいている。一方、クオリティおよび／または質量流
れは、フィルム厚あるいはそれに関連するパラメータで
あるボイド率を測定することなしには、正確に測定する
ことはできない。例えば、流量計は、流れのうちどれだ
けが液体でどれだけが気体であるかという割合を表示し
はしないし、流量系は、全ての状態において使用できる
というわけではない。
例えば、空気の流れにのっている石炭の粒子のような
典型的な気・固二相流では、一般的に、パイプ中を移動
する石炭の粒子の構造のようなロープ（rope）構造を有
している。パイプ中の石炭の量を正確に測定するような
最新の技術はない。石炭の電力プラントの運転に用いら
れる試行錯誤法は、効率が悪く、大気を汚染するという
結果を招く。燃焼を最適化するための、バーナーへ供給
される石炭の量と空気の量が知られている。
それゆえ、二相流の存在比を決定することに加えて、
実際に二相流を測定するためになされた様々な手段に関
するかなりの研究がなされてきた。これらの努力は、圧
力低下、ボイド比、フィルム厚、速度或いは密度のよう
な、流れのいくつかの面における平均値を解析するよう
な試みに強く指向している。このアプローチの１つの問
題点は、どれか１つの値を知っただけでは、二相流を特
定するには十分でないということである。二相流は、２
つの分離した流れを有しており（相Ａと相Ｂ）、これら
が相互に非常に複雑に作用し合っている。もしも平均値
を用いると、この流れを特定するためには、少なくとも
２つの独立した量を測定しなければならない。加えて、
圧力低下と速度のような２つの測定値が与えられても、
広い条件範囲に対して、相Ａと相Ｂとの流量を精度良く
示すことができないということがしばしばある。それゆ
え、異なる流れの条件においては、異なる測定のペアー
がしばしば必要となるのである。
最近知られている平均化技術に基づいて適切に開発さ
れた装置によってもたらされる適用対象がある。しかし
ながら、このような最近になって使用できるようになっ
た平均化測定が、望むような結果をもたらさないよう
な、より多くの適用対象もある。例えば、その適さない
適用対象とは、非破壊的な流れ測定を要求されるような
ものである。他のものとしては、形状的に強制されたも
のであり、それゆえ、特定のサイズおよび形状の装置の
みが使用される。他の適用対象においては、流れの条件
のうちの非常に広い範囲に亙って正確な流れの測定が要
求されるかもしれない。さらに他の場合には、コストに
大きく左右され、それゆえ、装置が非常に高価になる。
本発明は、両相の流れを特定できるような、迅速かつ継
続的に使用できる、意味のある測定技術の利点を提供す
ることにある。全ての装置は、少なくともいくつかの意
味のある流れの測定をすることができるが、この発明
は、実用性のある装置を確実に得ることができるもので
ある。
従属する発明のアプローチは、二相流に関して、簡単
ではあるが優れた観測ができるようにするものである。
第１に、それらの決定論的なものであり、物理学の法則
を満足するものである。それゆえ、それらの考察は、非
常に複雑であるけれども、流れのふるまいには、１つの
基礎をなす法則がある。与えられた波、粒子、あるい
は、気泡のふるまいは、複雑であるけれども、実際には
不規則ではない。
第２に、それらは、決定論的で複雑な様子でふるまう
が、カオス的でもある。
ここで“的”という言葉を用いたのは、流体の乱流
は、一般的に言って数学的な定義であるカオスを満足す
ることが、まだ証明されていないからである。カオス的
でもランダムでもないような複雑なふるまいについても
適用が可能であるかどうかは、まだわからない。現在の
段階では、そのような系に対して一般性を与えることは
不可能である。位相幾何学者からの、より決定的な答の
要求、および、二相流がカオス的であるという見方が、
これまでは有効であるという証拠と一致しており、本発
明では、この二相流は、カオス的であると仮定してい
る。
二相流は分散的であり、例えば、機会を与えれば、そ
れらに課されたどんな作用も最終的には、粘性を失うこ
とになる。それゆえ、任意の初期条件を与えてやれば
（例えば、流動管の入り口に混合手段を与えるというよ
うな）、二相流は、相Ａおよび相Ｂを有する他の流れと
同様であるが初期条件が異なるようなふるまいのパター
ンに落ちつく。実際に、初期条件を色々と変化させて多
くの流れの状態を作り出し、それらの性質を詳細に比較
しなければ、この結論を証明するのは困難である。しか
しながら、このような場合には、これが流動のメカニズ
ムおよび二相流の基本的な定義になるが、そうでない場
合には、二相流のふるまいの一般的なモデルおよび相互
関係を一般化することは不可能である。これは、分散カ
オス系の性質とも一致している。
もしも、二相流が分散的でカオス的であるとすると、
それらのふるまいについては、キーになる表現が可能と
なる。これらの間の主要な点は、単一に基礎になるふる
まいが存在する点である。“変わったアトラクター（st
range attractor）”の形状は、流れのパラメータが変
化すれば変化する。この変わったアトラクターは、非常
に込み入ったパス（数学的な位相空間内において）であ
り、その系の全ての軌跡を時間で表したものである。こ
れは、位相空間の有限の部分に限られ、単一の終わりの
無い、そして、解放された（openな、すなわち、決して
繰り返さない）パスであり、その中において、最初はお
互いに近接していた点が、時間がたつと迅速に離れてい
く（これを、初期条件に対する感度と呼ぶ。）。変わっ
たアトラクターの存在からは、結論が引き出せない。当
面の問題に対する基本的な結論は、ある時間間隔で系の
ふるまいを観察すると、変わったアトラクターのマッピ
ングになるということである。測定時において一定の割
合で増加していく時間で観察すると、それはスムーズな
マッピングとなる。変わったアトラクターのどのような
スムーズなマッピングも、系のふるまいに関する情報量
を含んでいる。これは、どんな時間の増加および測定の
感度が同じである他のスムーズなマッピングとも同等な
ものである。それゆえ、二相流については色々の測定方
法を用いることができ、これにより、意味のある情報が
得られるような同様な結論に達する。
この議論の一連は、カオス理論の分野において適切に
確立されたものである。しかし、それだけでは、二相流
の計測を行うには十分でない。その理由は、流れの観測
の発達が流れの条件に如何にして関連づけることができ
るかを明らかにしていないからである。実際、数々の研
究者が二相流の条件を時系列計測に関連づけようと試み
た。最も良く知られているものに、Jones,O.C.氏とZube
r.N.氏による“二相流におけるボイド率の変動と流れの
パターンとの相関関係（The Inter−relation between
void fraction fluctuations and flow patterns in t
wo−phase flow）”（Int'l J.of Multiphase Flow,v2,
page 273−306,1975）と、Hubbard.MG.氏とDukler,A.E.
氏による“水平な二相流に対する流れの型の特性:1.壁
面圧力の変動の統計学的な解析（The Characterization
of Flow re−gimes for Horizontal two−phase Flow:
1.statistical analysis of wall pressure fluctuati
ons）”（Proceedings of the 1966 Heat Transfer and
Fluid Mechanics Institute,Saad,M.A.and Miller,J.
A.eds.,Standard University Press,pages 100−121,1
966）がある。Jones氏とZuber氏は、Ｘ線の減衰計測に
よる確率密度関数から気液の流れの型を明らかにした。
Hubbard氏とDukler氏は、気液二相流からの圧力信号の
周波数スペクトルから流れの型を明らかにした。いずれ
のケースでも、どちらかの相または二つの相の流量は決
定されていない。
技術文献には、二相流を特性づけたり計測したりする
様々の種類の計器の試験や改良の努力が記述された多く
の参考となるものである。HSU,Y.Y氏とGraham,R.W.氏に
よる,Chapter 12:Instrumentation for Two−Phase Flo
w,in Trans−port Process in Boiling and Two−Phase
Systems,McGraw−Hill,1976;とMayinger,F.氏による,C
hapter 16:Advanced Optical Instrumentation,in Two
−Phase Flow and Heat Transfer in the Power and Pr
ocess Industries,Bergles,A.E,et al,editors,Hemisph
ere Publishing Company,1981に概説されている。これ
らの努力の大部分は、研究としての興味のあるものとし
て多く残された実質的に限られた用途について結果を出
してきた。ＡとＢの二つの相の流れを決定することを目
的とした機器のような、本当の二相流計は、商業的市場
において幅広く利用されていない。
工業的な用途において、最も幅広く用いられている二
相流用の計器は、光子の減衰を利用した計器である。こ
れらの計器は、流れを通過する際の光子（主としてマイ
クロウェーブやガンマ線）の減衰を決定するものであ
る。ある相の減衰が他の相（本質的により高い密度か
ら）の減衰よりも大きい場合は、各々の相で満たされた
流れの断面積の比率を特徴づけるのに用いられている。
二者択一的に、これは流れの平均密度を特徴づけるもの
として認識されている。計器の特定の幾何学的形状に依
存するので、流路を横切る相の分布に対して感度が良く
なったり悪くなったりする。このようにして、流れの型
（例えば、気泡が多い状態、スラグ状態、層状、環状、
ミスト状態の流れ）を分類していた。これらの計器は、
流れの条件の大雑把な指針しか与えていない。なぜな
ら、それぞれの存在する相の量に対する感度が限られて
いるからである。特に、ガンマ線の密度計測器は、流れ
中の微量の鉛の量に対してさえも高い感度を有してお
り、多くの興味ある応用分野（最も顕著なものとして石
油のパイプライン）において、その精度を厳しく制限す
る。最初に意図した実施例中のこれらの計器の制限にも
かかわらず、Ａ相とＢ相の流れを正確に決定するために
本発明とともに有利なものとして用いられている。
Ａ相とＢ相の流れの流量に関して有用な情報を作り出
すために、減衰計測をいくつかの流速の指示と結びつけ
なければならない。このような指示は、流れのダクトに
沿って二つの接近した離間する位置で減衰計測し、得ら
れた二つの信号の相関関係をとることによって得られ
る。相関関係の曲線のピークの遅延時間は、およそ流れ
の伝播に対する遅延時間に一致する。計器の距離をこの
遅延時間で割ることによって、特有の速度を与える。平
均流れの密度とこの速度は、Ａ相とＢ相の流量を関連づ
ける。関係は、相の間で生じる避けられない“スリッ
プ”を補正するために必要とされる（何故なら、これら
の相は明らかにされた速度と共に流れないからであ
る）。
適正な補正がなされたとしても、相関関係を用いた減
衰計測の精度は、多くの流れの条件に対して密度計測の
感度が低いため、限られている。この限られた精度につ
いて、Skarvaag氏等の米国特許No.4,683,759に言及され
ている。この中に、この基本的な思想が気液二相流の計
測に用いられている。しかしながら、液体と気体の流量
を決定することは、液体と気体の流れが主として間欠的
であり、相関関係の関係のピークが非常に鋭い、スラグ
流れと呼ばれる一つの特定の流れの型に対して議論され
ている。
他の計測装置は、二相流を観察するために分離されて
いる。Goolsby氏の米国発明登録H608には、超音波の測
定技術は、液体流れ中に気体が存在するか否かを決定す
るために用いられている。この計器には、反響モード
（echo−mode）の超音波が、第二の大きな反射の界面
（第一の反射の界面は液体と管壁である）の位置を決定
するために用いられている。もし、音響波の飛行時間
（time−off−flight）が全体の管に対応する飛行時間
（遠くの壁からの第二の反射）よりも小さかった場合、
気液の界面が存在する。実際、このアプローチは、数年
間、定量的に二相流を研究されてきたものである。
Lynnworth氏の米国特許No.4,193,291では、流れの密
度を決定する超音波による方法が言及されている。この
技術は、物体が沈められた流体の密度に依存する、物体
中のねじれ波（torsion waves）の異なった減衰速度に
基づくものである。様々な実施例が記載されており、計
器が流れのダクト中の相の分布に対する感度をより良く
したり、悪くしたりすることが記載されている。この計
器は、液液、気液の二相流に限定されている。この計器
の一つの不幸な面は、この計器を流体中に挿入する点で
ある。流れの中に計器を突出させることは、流れによっ
て運ばれる破片により計器が破損する危険性を上昇さ
せ、予期しない圧力降下とを引き起こし、流れのシステ
ムの信頼性を減じる、計器の流れのダクトとの間のシー
ルが必要となる。この計器のもう一つの不幸な面は、流
路断面積全体を横切る平均密度の決定についての実施例
の記述が何らされていない点である。このように、各々
の実施例は、流れの型の限られた範囲について応用可能
である。さらに、流体により濡れる点について言及され
ていない：もし、流体がセンサーの材質を濡らした場
合、見かけの密度は、液体の密度に向かって大きく誤っ
たものとなる。これらの制限があるにもかかわらず、こ
の測定のアプローチのメカニズムは、Ａ相とＢ相の流量
の正確な決定をするために、この発明でも使用すること
ができる。
前述の特許では、密度計測は、二つの相の流量の決定
する音響速度計（acoustic velocimetry）と組み合わさ
れていると記載されている。音響速度計において、音響
波は、一のトランスデューサにより流れを通して下流方
向に伝播され、その飛行時間（time−of−flight）が他
のトランスデューサにより計測される。第二の波は、流
れに対しての伝播時間を決定するために上流方向に伝播
される。これら二つの伝播時間を比較して、流れ中の有
効音速と伝播速度の両方を決定する。もし、音響波が全
てにおいて、二相流中に印加されると、その計測は、流
れの型に対して非常に高感度となるであろう。例えば、
環状の流れにおいて、連続的な液体のフィルムは、流れ
のダクトの壁に接触した状態である。流れに入り込むど
んな音響波であっても、効果的に“最短経路（short ci
rcuit"）で液体中を通過し（非常に大きな音速で、相対
的に低い減衰で）、そのため液体の流速（音響波の経路
によって曲げられた（skewed））だけが測定される。対
照的に、層状の流れの場合、流れのダクトの底部の液体
の流れは、効果的にダクトの上部の気体の流れと分離さ
れる。もし、液体中を通過する音響波が気体の流れと十
分に混合することができるなら、液体と気体の速度の平
均の速度が計測される。この速度は、環状の流れはしば
しばずっと大きな速度で生じるのであるが、環状の流れ
の速度とかなり（ずっと大きく）異なったものとなるで
あろう。このように、異なった流れの条件をもつ計器の
出力の補正は、低い精度に起因する非常に強い非線形性
を含んだものとなるであろう。
Kline氏の米国特許No.4,991,124では、流れの密度を
決定する異なった超音波の計器が記述されている。この
技術は、流体中の音速と、音響エネルギーの減衰率を決
定することに基づいている。この技術は、音響エネルギ
ーの複合的な反射によるので、二相流を検知するのが非
常に難しく、たぶん二相流には適用できないであろう。
イギリスのAEAテクロノジーは、オイルと気体の分野
における用途を対象とした二相流計を公表している（An
onymous,“Non−Intrusive Meter Measures Oil and Ga
s Flows",competitive Edge,Issue 4,pg.3,Spring,199
4）。この計器は、測定点を通過する水素、炭素、酸
素、塩素の原子をカウントするパルス状の中性子ビーム
を用いたものである。放射物の短い爆発が複数の酸素原
子を活性化するのに用いられる。これら酸素原子は追跡
することができ、これら酸素原子の動きで流速が決定さ
れる（第二の測定方法である）。この計測は、（潜在的
に）いくつかの相の流量を決定するために二つの平均化
する方法を採用している。しかしながら、それぞれの流
量を分離して決定することは、相が明確な組成であるこ
とに依存する。もし、二つの相が同じ組成からなる場合
（いわゆる単一成分二相流）、全体の流れの計測しか得
ることができない。この装置は、オイルの分野での意図
した応用、コスト面、複雑さ、操作上の制限はどこで使
用されるかにより限定されるであろうということを証明
している。
発明の概要 それゆえ、本発明は、流れのクオリティ（quality）
および質量流量（mass flow）を決定するために、二相
流を解析するための方法および装置を提供することを目
的とする。
また、本発明は、非侵入型のセンサを用いて、二相流
のクオリティおよび質量流量を決定するための方法およ
び装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、管内にカオス状態にある二相流が存
在する場合でも、信頼できる測定を実行可能である、二
相流のクオリティおよび質量流量を決定するための方法
および装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、幾つかの仮定に基づいて構成された
種々の流体モデルおよび解析技術を用いることを必要と
しない、二相流のクオリティおよび質量流量を決定する
ための方法および装置を提供することを目的とする。
概略的には、本発明は以下の見識に基づいて実現され
る。カオス状態にある二相流内における戻りエコーに基
づく超音波厚さトレース（ultrasonic thicknesstrac
e）は、流体流れの厚さを正確に示すことはできないと
見られているが、さらなる研究により、流れの特性に関
する特定の指標量（indicator）が、多数回の厚さトレ
ースにより実際的に出現することが判明し、また、一連
の良好な厚さの読みの平均数、連続的な良好な読みにお
ける平均的な変化、良好である読みの平均的な割合等の
指標量が、全体として、質量流量および流れのクオリテ
ィを正確に測定するために使用可能である。さらに、本
発明は以下の基礎的見識に基づいて実現される。質量流
量および流れのクオリティは、幾つかの仮定に基づく複
雑な解析技術を必要とせず、さらに、侵入式測定技術を
必要としないで、厚さトレースから直接的に決定可能で
ある。さらに、本発明は、以下の見識に基づいて実現さ
れる。流れの特性を記述するために使用される流れ指標
量を得るために、超音波厚さトレース以外の手段を用い
ることが可能である。
最後に、本発明は、次の見識に基づいて実現される。
多数の異なる種類のセンサにより、流れ指標量が検出可
能である。任意の種類の二相流および非混合流を含む管
に対して、流れ指標量を検出可能である。また、流れを
評価するために、流れの指標量の解析を用いることが可
能である。一旦流れが解析されると、流れを規定するた
めに、フィードバックシステムを採用可能である。
本発明は、主に二相流の測定に関するものである。こ
の二相流としては、液体と気体あるいは蒸気との組合
せ、液体と固体粒子との組合せ、混合しない２つの液体
の組合せ、あるいは気体と固体粒子との組合せが上げら
れる。同時に、本発明は、２つの相（例えばＡおよび
Ｂ）が同じあるいは異なる組成を有する流れに対しても
適用可能である。上記のような流れは、流れがチャネル
あるいはダクト内に制限された状況に対応するものであ
る。しかし、自由なストリーム流れあるいは障害物周り
の流れに応じた適用分野にも上記の概念を拡張可能であ
る。また、３つ以上の構成要素を有する流れ、あるいは
単相（液体あるいは気体のみ）流れに対しても上記の概
念を拡張可能である。
本発明の基礎的概念は、以下の通りである。適切な流
れの観測を継続的に実施することで、測定値および測定
値の時間変動に対して、流れ内で生じる現象および流れ
の条件が反映される。通常、流れの条件は、二相流の流
量により定義される。また、二相の特性を定義するため
に、温度および／あるいは圧力が必要とされることもあ
る。この測定手段は、その動作に関して非定常で複雑な
流れの構造に基づいている。通常、このような流れの構
造は、流体の乱流性に関連している。しかしながら、層
流として考察される多くの二相流は、簡単なパラメータ
により特徴付けられるので、本発明に対して補正可能と
なっている。さらに、壁体、固定混合器、オリフィス、
エルボ、あるいは他の流れ分断体等の装置を通過する層
流には、局所的乱流が発生することがある。このよう
に、ここで開示される測定方法は、非常に広い適用範囲
を有している。
本発明の主要な目的な、二相流の両相における流れ
と、継続的観測との間の関係を正確に決定することを可
能とする測定手段を提供することである。以下の説明に
おいては、流れ観測手段として超音波厚さ測定を用いた
気体／液体二相流が対象とされる。既に述べたように、
上記のような流れおよび単一の流れ観測方法に限定され
るものではない。本発明は、固有の時間的挙動変化を有
するすべての二相流、および流れの構造を関連性を有す
るように反映するすべての観測方法に適用されるもので
ある。また、種々の状況および適用対象に対する代替的
な観測方法、およびこのような装置に関して予測される
反応、および流れの条件の観測に関連する手段等が、以
下に詳細に説明される。
本発明により、管内の二相流を解析する方法が与えら
れる。この方法は、以下の工程から、あるいは以下の工
程のみから構成される。これらの工程としては、音響的
エネルギを管を通して流れ内へ伝達する工程と；戻りエ
コーを検出する工程と；戻りエコーから導出それる１つ
あるいは複数の流れ指標量を算出する工程と；算出され
た流れ指標量を基にして、質量流量および流れのクオリ
ティの少なくともいずれか一方を決定する工程とを有す
る。１つあるいは複数の良好な厚さの読みの平均数、連
続する良好な読みにおける平均的変化、および良好な読
みの全読みに対する平均的割合からなるグループから、
流れ指標量が選択される。ここで、良好な読みとは、管
内の液体流れの厚さを表示するものと想定される、検出
された戻りエコーとして定義されるものである。
さらに、本発明は、質量流量とクオリティとを区別す
るために、良好な読みの平均数で除された連続的な良好
な読みにおける平均絶対値変化の量を算出する工程が含
まれる。さらに、流れの指標量は、良好な厚さの読みの
RMS（root mean square）（２乗平均値）、連続的な良
好な読みにおける変化のRMS、一連の良好な読みの平均
数、一連の劣悪な読みの平均数、および特性自己相関時
間を含んでいる。上記の決定工程は、管内の二相流の質
量流量およびクオリティを評価するために、多数の流れ
指標量を既知の流れ条件に整合させる処理を含んでい
る。この整合処理は、質量流量およびクオリティを評価
するために、多数の流れの指標量を既知の流れの条件に
整合させるようにトレーニングされたニューラルネット
ワークの使用を含む。そして、上記の算出工程は、流れ
のクオリティと比較される一連の良好な厚さの読みの平
均数および流れのクオリティと比較される連続的な良好
な読みの平均的変化として与えられる形態のデータを獲
得する処理を含んでいる。
また、本発明により、管内の二相流を解析するための
装置が与えられる。この装置は、音響的エネルギを管を
通して流れ内へ伝達する手段と；戻りエコーを検出する
手段と；戻りエコーを基にして、１つあるいは複数の流
れ指標量を算出する手段と；この算出手段に対応して、
流れの指標量を基にして、流れのクオリティおよび質量
流量の一方を決定する手段とを有して構成されている。
音響的エネルギを伝達する手段は、管に対して周囲方向
および／あるいは軸方向に連結された複数のトランスデ
ューサ、および連続的にトランスデューサを起動する手
段を有している。戻りエコーを検出する手段により、管
内の液体流れの厚さを示す戻りエコーが識別される。
算出手段により、１つあるいは複数の以下の流れ指標
量が算出される。この指標量としては、良好な厚さの読
みの平均数、連続的な良好な読みにおける平均的変化、
読み全体における良好な読みの平均的割合等が上げられ
る。ここで、良好な読みとは、検出された戻りエコーと
して定義される。
質量流量とクオリティとを区別するために、算出手段
により、良好な読みの平均数で除された連続的な良好な
読みにおける平均絶対値変化の量が算出される。前記決
定手段は、ニューラルネットワークを有している。この
ニューラルネットワークは、１つあるいは複数の算出さ
れた流れの指標量を入力として用い、ニューラルネット
ワークにより学習された実際の流れのクオリティおよび
質量流量パターンを基にして、パターンマッチングアル
ゴリズムを適用することで、流れのクオリティおよび質
量流量の一方を予測する。
また、本発明により、管内の二相流のクオリティを決
定する方法が与えられる。この方法は、流れの戻りエコ
ーを発生させるための管壁部を通して流れ内へ音響的エ
ネルギを伝達させる工程と；流れからの戻りエコーを検
出する工程と、二相流の質量流量を算出する工程と；戻
りエコーを基にして、質量流量および流れのクオリティ
の少なくとも一方を決定する工程とを有する。
音響的エネルギを伝達する工程は、管の外壁部に対し
て超音波パルスを与える処理を有する。戻りエコーを検
出する工程は、所定のエコー強度以上のエコーの割合を
決定する処理を有する。質量流量を決定する工程は、所
定のエコー強度以上の戻りエコーの割合から、二相流の
流量を決定する処理を有する。流れのクオリティを決定
する工程は、戻りエコーから管上の液体フィルム厚さを
算出する処理を有している。さらに、流れのクオリティ
を決定する工程は、算出された液体フィルム厚さにおけ
る平均的変化を算出する処理を有する。さらに、流れの
クオリティを決定する工程は、算出されたフィルム厚さ
の平均値を決定する処理、およびフィルム厚さの平均値
に対する平均的変化の比を決定する処理を有する。
流れのクオリティを決定する方法は、流れからの検出
された戻りエコーを基にして、１つあるいは複数の流れ
の指標量を算出する工程を有している。流れの指標量
は、１つあるいは複数の以下の数値を有している。この
ような数値としては、良好な厚さの読みの平均数、連続
的な良好な読みにおける平均的変化、読み全体に対する
良好な読みの平均的割合等が含まれる。ここで、良好な
読みは、検出された戻りエコーとして定義される。
さらに、流れのクオリティの決定方法は、質量流量と
クオリティとを区別するために、良好な読みの平均数で
除された連続的な良好な読みにおける平均絶対値変化の
量を算出する工程を有している。さらに、流れの指標量
は、良好な厚さの読みのRMS、連続的な良好な読みにお
ける変化のRMS、一連の良好な読みの平均数、一連の劣
悪な読みの平均数、および特性自己相関時間を含む。質
量流量および流れのクオリティを決定する工程は、さら
に、流れの指標量を既知の流れの条件に整合させるため
に、１つあるいは複数の流れの指標量をニューラルネッ
トワークに適用する処理を有している。
本発明による管内の二相流のクオリティを決定するた
めの装置は、流れからの戻りエコーを生成するために、
管壁部を通して流れ内へ音響的エネルギを伝達させる手
段と；流れからの戻りエコーを検出するための手段と；
二相流の質量流量を算出する手段と；戻りエコーを基に
して、質量流量および流れのクオリティの少なくとも一
方を決定する手段とを有して構成されている。
より分かり易い言い方をすれば、管内の二相流の質量
流れおよびクオリティを決定する本発明による方法は、
流れからの戻りエコーを発生させるために、管壁部を通
して流れ内へ音響的エネルギを伝達する工程と；所定の
エコー強度以上の戻りエコーの量を検出する工程と；戻
りエコーの量を基にして、二相流の質量流量を決定する
工程と；戻りエコーを基にして、管壁部上の液体フィル
ム厚さを算出する工程と；算出された液体フィルム厚さ
の平均的変化、および算出されたフィルム厚さの平均値
を決定し、そして、フィルム厚さの平均値に対する平均
的な変化の比を基にして、流れのクオリティを決定する
工程とを有する。
好適な実施の形態の説明 次の図面を参照した、好適な実施の形態に関する以下
の説明を読むことで、当業者には、本発明の他の目的、
特徴、および利点が明らかになるであろう。
図１は、管内の典型的な二相流を示す概略的な断面図
である。
図２は、“良好な”フィルム厚さの読みに対する伝達
および受容パルス波の形態を示すグラフである。
図３は、レシーバから離れた位置に反射された戻りエ
コーによる戻り波の欠落を表す伝達波を示すグラフであ
る。
図４は、液体流れ内の気泡の存在による複数の弱い戻
りエコーを示すグラフである。
図５は、増補可能なオプション的構成要素を含む本発
明による超音波フィルム厚さ測定装置を示す概略図であ
る。
図６は、図５の測定装置とともに用いられる本発明に
おけるハードウエア構成を示す図である。
図７は、本発明による方法を用いて実施された幾つか
のテストに対する流れの条件を記述する、クオリティに
対して比較された質量流量を示すグラフである。
図８は、図５および図６に示された測定装置を用いて
得られた典型的な超音波フィルム厚さ測定記録を示す図
である。
図９は、公開された経験的相関関係とともに、図７に
示されるテスト条件に対する平均的フィルム厚さ測定値
を示す図である。この相関的関係は、フィルム内のすべ
ての液体が、フィルム内に捕らえられた蒸気を含んでい
ないという仮定に基づいている。
図10は、図９にプロットされたデータに関しての、厚
さの読みの平均数で除された連続的な良好な厚さの読み
における平均的変化を用いて補正された流れのクオリテ
ィを示すグラフである。
図11は、図５および図６に示される装置を用いて得ら
れた図７のデータ点に関しての、識別されたエコーの割
合に対する質量流量を示す図である。
図12は、本発明により、流れの指標量として用いられ
る特性自己相関時間を示すグラフである。
図13から図20は、流れのクオリティと比較される、本
発明による流れの指標量を示すグラフである。
図21は、本発明により、質量流量および／あるいはク
オリティを評価するために、図13から図20に示された指
標量をパターンマッチングするために使用されるニュー
ラルネットワークを示す概略図である。
図22は、予測される質量流量と、図21に示されるニュ
ーラルネットワークにより決定される質量流量との相関
関係を示すグラフである。
図23は、予測される流れのクオリティと、図21に示さ
れるニューラルネットワークにより決定される流れのク
オリティとの相関関係を示すグラフである。
図24は、本発明により、質量流量およびクオリティを
評価する方法を示すフローチャートである。
本発明は、広い意味で、二相流のフローメータに関す
るものである。液体／気体二相流内で移動する液体の
“ウェーブ（waves）”の存在、あるいは固体／気体二
相流内で移動する粒子の“ウェーブ”の存在、およびウ
ェーブの通過の間の時間等の流れの指標量が、幾つかの
異なった型のセンサにより検出される。このようなセン
サには、超音波トランスデューサ、マイクロフォン、お
よび加速度計等が含まれる。一旦、流れの指標量が検出
されると、質量流量または流れのクオリティのいずれか
一方、あるいは両方を決定するために、流れの指標量を
使用することが可能である。また、他の実施の形態にお
いては、流れの条件における変化を検出するために、流
れの指標量を使用することが可能である。第１の実施の
形態においては、管内の液体／気体二相流に対する質量
流量および流れのクオリティを決定するために、超音波
検出器を用いた二相流フローメータが採用されている。
本発明においては、管内の二相流のフィルム厚さの決
定は、流れのクオリティおよび／あるいは質量流量の１
次的評価にすぎない。典型的な二相流においては、先鋭
な流体／蒸気インタフェースの存在、管内を移動する流
体の周期的ウェーブの存在、および液体内に捕らえられ
た蒸気気泡の存在により、超音波方法を用いたフィルム
厚さ測定の解析が困難となっている。しかし、超音波技
術を用いることで、フィルム厚さを正確に測定すること
はできないかもしれないが、フィルム厚さのトレース
が、幾つかの流れの指標量を含んでいることが発見され
ている。これらの指標量を共に用いることで、較正を通
して、流れのクオリティおよび／あるいは質量流量を決
定することが可能となる。
超音波二相流計 図１は、管壁の内周面に沿って流れる流体12、及び管
の中心近傍を流れるガス又は蒸気コア14を有した、管10
内の二相流を示した断面図である。
超音波トランスデューサ16は、最初に、遠方壁11から
のエコーの近接壁９からの戻りエコーの検出におけるパ
ルス時間遅れを確立するために空の管10について較正さ
れ、次いで、前記液体の音速による時間遅れを確立する
ために液体が満たされた管10について較正される。
次いで二相流が前記管10内に導かれ、初期パルス20
と、液体流れ12及びガス流れ14の界面18（図１）からの
戻りエコー22と、の間のパルス時間Δｔ（図２）が測定
される。
液体フィルムの厚さｈは、 ｈ＝ＣΔt/2 （１） で表される。ここで、Ｃは前記液体中の音速、Δｔは超
音波パルスを送ってからそのエコーを受け取るまでの時
間である。図２は、厚さに関する「良好な」読み、すな
わち、検出された戻りエコーが存在し、それが管内の液
体流れの厚さを公正に示している、という読みを示して
いる。戻りパルス22は、図示の如く、かなり強くかつシ
ャープである。
図１に示す前記液体流れとガス流れとの間の界面18が
傾斜面となっていると、戻りエコーは検出器（レシー
バ）から離れたところに反射して検出されないおそれが
ある。その場合、「戻りエコー」のトレース（跡）は図
３に示すようなものとなる。他方、図１に示す前記液体
流れとガス流れとの間の界面18が粗く、あるいは不明瞭
である場合には、戻りエコー跡は図４に示すようなもの
となる。前記液体フィルム中に気泡、波、及びその他の
カオス的挙動が存在すると、多くの「不良」読みとな
り、精確なフィルム厚さ測定値は表示されない。
ただし本発明では、流れを完全に特徴付け、また質量
流れ及び流れのクオリティを精確に測定するため、尚も
この形態を用いかつ解析するものとしている。
本発明は、超音波フィルム測定技術を用いて、管内の
二相流のクオリティ及び又は質量流れを決定する方法に
おいて達成され得るものである。質量流量及びクオリテ
ィは、生データより計算できるいくつかの量の組合せか
らそれぞれ決定される。
図５は、本発明の方法及び装置に有用な超音波フィル
ム厚測定コンセプトの一実施形態を示している。二相流
は環状断面の管40内を矢印Ａで示す方向に流れている。
この流れは、管40の内壁に沿った液体フィルム42と、蒸
気流れ44とを有している。該流れは、一般的には、液体
中に蒸気気泡が含まれかつ液体42の表面がしばしばスム
ーズではない乱流である。液滴は前記蒸気コア中に捕え
られる。
標準超音波厚さ測定トランスデューサはフィルム厚測
定に使用され、次いで、管40内の質量流量及び流れのク
オリティを決定するのに用いられる。好ましくは、管40
の外周壁の同一外周線上に多数の超音波トランスデュー
サが取り付けられる。この例においては、管40を囲む一
軸線位置に周囲方向に離間させて設置された三つのトラ
ンスデューサ48,50,52が示されている。フィルム速度の
特徴を決定するために、第四のトランスデューサ54が、
前記トランスデューサ48の直ぐ下流側に設置されてい
る。前記トランスデューサ48,50,52は順次始動される。
軸方向にずらして配置された前記トランスデューサ54は
トランスデューサ48から一定時間遅れて始動される。流
れ速度を決定するため、トランスデューサ48と54の出力
は、好ましくは周知の領域解析技術（domain analysis
techniques）を用いて、相関させてある。
図５のトランスデューサ装置を用いたフィルムの厚さ
測定を実施するためのハードウエアを図６に示す。通
常、管40は、水平、傾斜、又は垂直の、各テストセクシ
ョンを採ることができる。図７ないし図21に示す測定の
ために、内径0.875インチ、外径1.0インチ、長さ26イン
チの透明なポリカーボネートチューブを使用し、これに
より、超音波測定点の上流における流れの成長のために
約30のチューブ径を得ている。前記トランスデューサ48
の如き超音波トランスデューが、100Vオーダーの電圧で
非常に小さいエネルギーの電気的パルスによって、該装
置の能力の中間レンジで励起される。そのトランスデュ
ーサと液体フィルムとの間のソリッドな壁体により生じ
る時間遅れが、空のチューブのパルス戻り時間を記録す
ることにより考慮される。該装置は、液体の満ちたチュ
ーブの時間遅れを測定することにより、式（１）におけ
る液体Ｃの音速に対する較正が同様に行われる。
図６に示した装置は、既知の圧力、温度、流れの水及
び空気を前記テストセクションの上流に前記チューブ内
に導入して使用される。水の流れはタービン流量計を用
いて測定する。空気の流れは、エルボ流量計を用いて測
定する。密度つまり質量流量を決定するために、このエ
ルボ流量計内の空気の圧力及び温度を測定する。また、
テストセクション40内に空気−水混合体の圧力及び温度
も測定し、これにより、既知の空気及び水の流量での流
れの条件が完全に規定される。超音波送受信器60は、マ
サチューセッツ州WalthamのPanametrics社製、5222型超
音波ゲージである。この装置は、１ないし20MHzの周波
数でトランスデューサを操作するアナログ式装置であ
る。該装置は、パルス反復率（pulse repetition rat
e）が800Hzとなるように改良してある。トランスデュー
サ48は10MHzトランスデューサである。
前記パルス送受信器60からの信号はマルチプレクサ64
に送られ、デジタル記録装置の感度を最大とすべく、そ
のアナログ信号のゲインが調節される。マルチプレクサ
64は、マサチューセッツ州TauntonのKeithley−Metraby
te社製、EXP−16型カードである。同じくKeithley−Met
rabyte社製のDAS−８型A/D変換カードがコンピュータ62
にインストールされている。このカードは、−５〜＋５
ボルトのアナログ入力電圧から12ビットのデジタル出力
を発生する。コンピュータ62を制御するには、マサチュ
ーセッツ州LexingtonのUnkelscope Software社製のUnk
elscopeデータ捕捉ソフトウエアを用いた。このソフト
ウエアを、1000Hzでデータを記録し、それぞれ4096の読
みの記録を発生するようにセットアップした。
パルス送受信器60の動作をモニターするのに３トレー
スオシロスコープ66を用いる。パルス送受信器60からの
アナログ出力は、時間依存ゲイン、マーカーモニター
（marker monitor）、及びレシーバモニター（receiver
monitor）を含んでいる。このオシロスコープは、パル
ス送受信器60からの同期出力を用いてそれらの信号に同
期される。前記レシーバモニターは、パルス送受信器の
レシーバセクションによって観察される実際の超音波波
形を表示する。マーカーは、前記受信器が、エコーが位
置すると判断した受信信号内の点である。スクリーン68
におけるこのマーカーの位置が厚さ測定に対応してい
る。マーカーがスクリーンから消えた場合、エコーがな
いことがわかる。前記時間依存ゲインモニターによっ
て、使用者は、前記受信器を作動させるのに必要な最小
信号レベルをモニターすることができる。該受信器はエ
コーを待つ間、徐々にアンプゲインを上げて行く。音響
波の伝播時間が長くなる程、減衰が大きくなるためであ
る。
パルス送受信器60は多数の調節ポテンショメータを有
しており、測定操作を最適化するためにこれらが用いら
れる。このセットアップを用いて測定を実施する上で重
要と思われるその調節パラメータは、前記受信器が使用
できる最大ゲインを制御する最大自動ゲインコントロー
ルと、受信器及びトランスデューサ間のインピーダンス
マッチングを調節するダンピングコントロールである。
使用に当たっては、オシロスコープで受信器の応答を
見ながら、エコーの割合を最大とすべくパルス送受信器
の変化要素を調節し、そのために、前記マーカーを前記
スクリーンで見ることができる。通常は、前記自動ゲイ
ンコントロール又はエコー高さコントロールが調整され
る時には、それに対応した前記ダンピングコントロール
の調節も必要となる。受信器がセッティングされたなら
ば、図７に示す全26個の操作条件のために、それ以上の
調整はせずに、データの完全セットが集められる。
図７は、このセットアップでデータを採り、流れのク
オリティ及び質量流れのレンジを示したグラフである。
全ての質量流量の領域は0.02ないし0.10kg/sであった。
26個の試験条件は、図中黒点で示した如くである。これ
らの試験条件は、一定の質量流量及び一定のクオリティ
のラインを備えた達成し得る流れ条件を大きくカバーす
るように選択され、これにより質量流量とクオリティの
効果を別々に評価できる。水流量はタービン流量計で、
また空気流量はエルボ流量計で測定される。
図８は、このデータ集の或る記録の或る典型的な結果
の一部を示したものである。このデータは１秒間のもの
である。消失信号、すなわち認識されずに終わったエコ
ーは、グラフ上で負の読みとして表されている。このデ
ータは、考えていたものよりもかなり急激に変化してい
る。解析の結果、フィルムの厚さは、このデータほど早
くは変化できなかったことが明かとなった。従って、次
の如く理論付けられる。すなわち、観察された挙動はお
そらく、液体フィルム内の波の急勾配面と液体フィルム
内の気泡の組合せ示しており、該組合せがエコーをトラ
ンスデューサから離れたところに反射及び又は屈折さ
せ、そのために、それらエコーは、前記パルス送受信器
とデータ捕捉装置との同期性の欠如に起因したエラーと
共に消失したのであろう。
図９は、図７における26個の試験ポイントにおける、
補正されたクオリティと平均フィルム厚との関係を示し
たグラフである。ここで、「補正されたクオリティ」と
は、実際のクオリティで試験された実際の流れ条件のMa
rtimelliパラメータが、「補正された」クオリティでの
周囲の圧力における仮想流れのMartimelliパラメータと
等しいとした補正である。この補正の大きさは、周囲圧
に近い、試験条件には採るに足らないものから、最高圧
条件である0.059までである。また、図９では、Lochhar
t−MartinelliデータのWallis相関をプロットしてあ
り、これは、補正されたクオリティと平均フィルム厚と
の関係を良好に示すべきものであった。図示の如く、得
られた値は概して予想されたものよりも大きく、かつ予
想されたものと同様な関数形態（functional form）と
はならなかった。さらに、データの散らばりが予想値よ
り大きく、質量流量のデータに明確に傾向がなく、かつ
高いクオリティに対する値はおおよそ一定であり、超音
波フィルム厚測定が流れのクオリティを常に良好に示す
ものではないことを意味している。
図10は、質量流れと認識されたエコーの割合との関係
のおおまかな傾向を示したグラフである。このグラフ
は、質量流量が、実際のパルス数と比較した認識された
エコーの数、すなわち認識エコーの割合、から少なくと
もおおまかには決定することができることを示してい
る。
この超音波記録データは、さらに下記の如く解析され
る。超音波データ記録の「長さ」（Ｌ）は下記の如く定
めることができる： ここで、tiはｉ番目の厚さの読み、ｎは読みの数であ
る。未認識のエコーについて考慮するために、この長さ
は、認識されたエコーの数で除するで正規化される。こ
の新しいクオリティは、フィルム厚の読みの、或る読み
から次の読みへの平均変化である。図11におけるプロッ
トは、カオス的変化を値自身のスケールのコンテクスト
中に置くために、前記読みの平均値によって正規化され
たこの値である。この図は、超音波厚さ読みのこの正規
化された測定値が、疑い無く、二相流の質量流量及びク
オリティに関係していることを示している。
図10において確立された如き、認識されたエコーの割
合に対するこの質量流量の補正は、二相流の量流量及び
クオリティを定めるのに必要な全情報は超音波記録中に
存在していることを立証するものである。
再度図８を参照すると、本発明による、下記の、付加
される流れの指標量は、戻りエコー厚測定記録から導か
れる：すなわち、良好な厚さの読みの平均数；順次的
（シーケンシャル）な良好な読みの平均変化；良好な読
みの平均割合；良好な厚さの読みの二乗平均（RMS）；
順次的な読みの二乗平均の変化；一連の良好な読みの平
均数；一連の不良な読みの平均数；及び特性自己相関時
間である。良好な厚さの読みは、決定された戻りエコー
が前記管内の液体流れの厚さを示しているものとして仮
定して定められる。これに対して、不良な読みは、急勾
配の流体／蒸気界面が戻りエコーを偏向させ、そのため
に検出されないか、かなり粗い液体／蒸気界面が存在し
て所定の大きさ以上の戻りパルスが検出されなかったも
のである。
この発明において、上述した指標量が計算され、か
つ、その結果が、指標量にパターン認識解析を適用し、
質量流量および二相流のクオリティを相関させるニュー
ラルネットワークに送られる。
図10に見られるように、指標量： （連続する良好な読みの平均絶対値変化）／（良好な読みの平均） …（３） により、クオリティから質量流量を明確に識別できるこ
とが最初にわかる。質量流量またはクオリティを知れ
ば、他の量は決定できる。早期の解析は、図11に示され
るように、認識されたエコーの割合が質量流量と大まか
に相関していることを発見したことが明らかにされた。
さらなる調査では、しかしながら、図８の超音波データ
が、質量流量およびクオリティを正確に決定するのに十
分な流量関連指標を包含していることがわかった。
上述した質量流量指標量を用いて、質量流量およびク
オリティを以下のように決定することができる。平均厚
さの読みは、流れのクオリティの第１次指標であり、あ
る場合には、クオリティを決定するために単独で用いら
れる。RMS厚さの読みは、より低いクオリティとより高
い質量流量条件に対してより重要な二相流内の大きな波
の通過を強調する。認識されたエコーの平均値は、反射
した音響パルスの損失に帰結する流量特性の影響を反映
する。これらの影響は、（液体フィルム内の急勾配の波
または泡のような）液体／蒸気の界面の勾配または（飛
沫同伴または沈着のような）不規則な表面状態に起因し
ている。連続する良好な読みの平均絶対値変化は、液体
／蒸気の界面において小規模の変化を反映する。それ
は、小さい動波（表面状態）または通過する大きな波の
成長速度のいずれかを表している。大きな波が比較的ま
れにしか通過せず、読みが高い割合で変化することは、
かなりの観測期間にわたって継続し得ないので、前者の
場合の方が優勢である。十分に興味深いのは、データ収
集速度の変化がこの値に線形に影響すること、すなわ
ち、データ速度を半減すると、連続する読みにおける平
均変化は２倍になることである。
連続する良好な読みにおけるRMS変化は、大きな変化
を伴って事象を強調する。一連の良好な読みの平均数
は、比較的乱されない液体フィルムが存在している平均
時間を表している。一連の不良の読みの平均数は、乱さ
れた液体フィルムが存在している平均時間を表してい
る。一連の良好な読みの平均数と、一連の不良の読みの
平均数との合計は、液体フィルムの乱れの通過のための
特有の時間を表している。
特性自己相関時間が、図12に示されている。この自己
相関において、信号のコピーが、時間移動されてオリジ
ナル信号と比較され、オリジナル信号と時間移動した信
号との積の積分値が計算される。この処理は、異なる時
間移動量（タイムラグ）に対して繰り返される。カオス
的な信号に対しては、結果は典型的には図12のように現
れる。特性自己相関時間は、その信号がもはや「それ自
身のように見える」という速度の指標である。この指標
は、特性流速を表すために他の者によって示された（例
えば、バーナトヴィッチ・エイチ（Bernatowicz,H），
カニンガム・ジェイ（Cunningham,J）およびウォルフ・
エス（Wolff,S）、「低温学における計測のための摩擦
電気効果を用いた質量流量計」、NASA CR−179572、19
87年４月を参照）。
これらの指標量の各々についての典型的な結果は、図
13〜図20に示されている。これらのグラフは、流量指標
量の各々を、流れのクオリティが非超音波技術によって
決定された、すなわち、空気および水の流速が二相流を
形成するために混合される前に計測された、水平流れに
ついての流れのクオリティの関数としてプロットしてい
る。異なる記号は、異なる試験条件の質量流量に対応し
ている。このグラフは、質量流量とクオリティとの25の
組合せを表している。図10に示される計算が、対応する
上昇流および下降流試験条件について実施されるときに
は、その結果は同様であるがいくらか変更されている。
したがって、この発明に係る技術は、異なる流れの方向
および無重力状態においても機能する。
二相流システム内に装備され得る解析には種々の方法
がある。第１のものは、超音波データを採取し、上述し
たデータ指標値（一連の良好な読みの平均数等）を計算
し、質量流量およびクオリティに指標を相関させるため
に非線形多変量統計的解析を用いることである。この方
法は、データをモデル化するために使用される非線形相
関方法と同等の精度のみであるため、望ましいものでは
ない。加えて、そのような方法は、データセットが不良
であるかを示しておらず、または、与えられた不良デー
タが正確な流れの条件を精度よく推定していない。結
局、このアプローチは、かなり遅いものとなる。
他のアプローチは、データを取得し、データ内のパタ
ーンを質量流量およびクオリティと相関させるために、
それをニューラルネットワークに直接送ることである。
第１に、この方法は、所望の障害指標および障害の許容
範囲を提供することができる。しかしながら、そのよう
な方法は、ニューラルネットワークが、質量流量とクオ
リティとを相関させるために正確なデータパターンが用
いられ、かつそれによって、機器がネットワークトレー
ニング（training）と同様に良好であるのみであること
を証明することが困難であるために、望ましくない。実
際の世界のデータは、質量流量およびクオリティと適正
に相関しないネットワーク内のニッチ（niches）を発見
することができる。また、パターンを決定するために必
要とされる多くの連続する読みのために、非常に大きな
ネットワークが必要である。そのような大きなネットワ
ークは、指標および統計的相関の明確な計算よりも、よ
り遅くなる。
好ましいアプローチは、データを採取し、データ指標
を計算し、指標を質量流量およびクオリティに相関させ
るためにニューラルネットワーク100を用いることであ
る。このアプローチは、データ指標における信頼性を、
迅速で、耐障害性を有し、小さいニューラルネットワー
クで達成可能な非線形相関に組み合わせている。ニュー
ラルネットワーク100は、ワードシステムグループオブ
フレデリック、エムディー（Ward System Group of Fre
derick,MD）から提供され、商業的に手に入れることの
できるニューラルネットワークシミュレーションプログ
ラム「ニューロシェル２」に基づいている。
このアプローチをテストするために、図13〜図20にニ
ューラルネットワーク100をトレーニングするために使
用されるデータが、図21に超音波データの流れの条件を
認識するためのデータが図示されている。ニューラルネ
ットワークは、図13〜図20の８個の指標量に対応した８
個の入力節点を有する従来のバックプロパゲーションネ
ットワークとして形成されている。12の隠れた節点は、
これらの入力節点と完全に相互接続され、質量流量およ
びクオリティとそれぞれ対応する２つの出力節点とも相
互接続されている。バックプロパゲーショントレーニン
グは、ネットワークの性能を最適化するために、種々の
学習速度およびモーメンタム値で使用される。オーバー
トレーニングを回避するために、ネットワーク100は、2
5のテスト条件の内の13のみからのデータを用いてトレ
ーニングされる。新たなネットワーク形態は、他の12の
テスト条件に対する流れの条件の予測を改良した場合に
のみ保存される。この解析の結果は、図22および図23に
表されている。これらのグラフは、データセットの実際
の流れの条件をニューラルネットワークによって推定さ
れたものと比較する。これらのグラフに示されるよう
に、全ての試験条件についての質量流量およびクオリテ
ィの実際の値と予測値とが、きわめて良好に相関され
る。実際に、データ点の散らばりは、流れの条件に関連
した計測誤差と比較可能である。
主に、異なる管の大きさ、システム圧力および流れの
方向（または無重力条件）に対する流れの条件を相関さ
せるために、単一のニューラルネットワークを使用する
ことを可能とすべきである。このために、管径、圧力お
よび流れの方向は、ニューラルネットワークへの追加の
入力である。
概要として、管内の二相流の解析方法およびシステム
が、図24に示されるフローチャートに図式的に示されて
いる。ステップ150において、超音波エネルギは、管を
通して、図５および図６に示される装置が用いられる流
れ内に伝送され、戻りエコーがステップ152において検
知される（図２〜図４参照）。
次いで、ステップ154では、全ての良好な戻りエコー
が評価される。ステップ156においては、１つまたはそ
れ以上の流れの指標量が計算される。指標量には、良好
な厚さの読みの平均数、良好な全体の読みの平均割合、
連続する良好な読みにおける平均絶対値変化、連続する
良好な読みにおけるRMS変化、一連の良好な読みの平均
数、一連の不良な読みの平均数、および特性自己相関時
間が含まれている。図10〜図20を参照のこと。流れを特
徴づけるために用いられ得る指標量の数には本質的な制
限はない。しかしながら、多量の指標量は、機器システ
ムの予測制度を改良せず、望ましくない遅い動作に帰結
する。
ステップ158では、２またはそれ以上のこれらの流れ
の指標量が、図24のステップ160において質量流量およ
び流れのクオリティを予測するためのパターンマッチン
グアルゴリズムを適用するニューラルネットワーク100
（図21）に適用される（図22,図23参照）。
他の方法 流れの指標量は非超音波手段から提供され得ることも
理解できる。例えば、内部に二相流を有するパイプ上の
容量センサーは時間に対するフィルム厚ｈの変化を検知
する。ピークは、パイプを通した流体の波の通過を表す
一方、公称厚さは、厚さの読みの平均値である。
全ての実施形態において、流れの指標量および「良好
な読み」の定義は用いられるセンサに依存している。
したがって、容量センサーまたは図１の超音波トラン
スデューサー16のような検知手段が複数の流れの観測値
を生成するために使用される。多数の流れの指標量は、
その後、結果として得られたデータから計算され、例え
ば、図21に示されたニューラルネットワークを用いて既
知の流れの条件と比較される。その後、比較結果に基づ
いて、質量流量および流れのクオリティが、図13〜図17
および図22,図23を参照して上述したように決定され得
る。
この発明は、流れの挙動の複雑さを反映する観測が用
いられ得る二相流の全ての計測に適用可能である。この
発明は、超音波厚さ計測が液体−気体の二相流において
使用されるプラクティスへの適合を説明している一方、
この発明は異なる計測技術および異なる形式の流れで有
利に使用され得ることは明らかである。異なる流れの基
本形式には、液体−蒸気または液体−気体；混合できな
い液体；固体の散乱した液体の流れ；および固体の散乱
した蒸気または気体の流れが含まれる。
これらの流体は、この発明の適用性を制限することな
く、重力または他の体積力に対して任意の方向に向けら
れている。この明細書において説明される液体−気体流
れは水平流れ、垂直上昇流および垂直下降流において試
験される。説明された方法によって流れの条件の確固た
る判別が達成されるので、この発明は、減少または増大
させた重力下若しくは無重力下において、重力方向に対
して任意の角度で傾斜された流れにも適用できる。
流れの複雑さの所望の反映を提供することができるこ
とが目下わかっている流れの観測方法は、圧力トランス
デューサ、マイクロフォン、ハイドロフォンの使用を含
む圧力または圧力降下の計測；流れのダクト壁または流
れ内への突起を介したもののいずれかの加速度計測；伝
送形態または反射形態の超音波、キャパシタンスまたは
コンダクタンスを用いるような、長さ、面積、体積の計
測；マイクロ波、可視光、Ｘ線またはガンマ線を用いた
光子減衰計測；摩擦電気観察、中性子照射または原子磁
気共鳴を介したような核種通過計測；音響または光学的
速度を介したような速度計測；音響密度計測を含んでい
る。
他の計測方法が、二相流および計装の当業者において
生じる。これらの計測は、非常に広い範囲の幾何学的寸
法および実施形態において実行される。例えば、圧力降
下計測は、流れのダクトの直線部分における２点間、ベ
ンチュリ、オリフィスまたはピトー管の間、エルボの半
径の内側と外側との間等において実施される。そのよう
な装置の可能性の数は無限である。この発明は、流れの
観測の変形が流体関連量を決定するために用いられると
きはいつでも流れの計測を可能とする。
乱流を意味をもって表すデータは、光度に複雑かつ本
質的に一様でない。例えば、多くの二相流は、１つの形
態または他の形態の波として見ることのできる変動を含
んでいる。所定の波の大きさ、形および速度は、流れの
局所的な条件に依存し、それはカオス的に変化する。し
たがって、波は規則的でないが、時折良好に説明され
る。もし、多くのそのような波の通過を観測しようとす
るならば、与えられた流れの条件についての良好に定め
られた波の特性の分布を見い出すべきである。流れの条
件が変わると、この分布もそれに応じて変化する。した
がって、流れの変動の分布が適正に特徴づけられるなら
ば、流れの条件を決定するためにそれを使用することが
できる。これがこの発明の主目的である。
時系列データからの流れの条件の良好な識別における
主要因は、重要な流れの現象を反映しているデータにお
ける識別性のある特徴である。いくつかの場合、主要因
は、計測信号の平均値に反映される。例えば、液体−気
体二相流における液体フィルムの平均厚さは価値のある
指標である。他の場合、信号の平均値は重要な情報を持
っていない。これは、平均値が通常はゼロである加速度
の計測の場合である。いずれにしても、流れを決定する
ために１つ以上のデータの特徴が抽出される必要があ
る。その理由は以下の通りである。二相流は、実際に２
つの同時流れであるため、流れの条件（例えばＡ相とＢ
相）を決定するために１つ以上の量が必要である。
各データの特徴は、流れの全体の条件に帰結し、関心
のある単一の流れの現象には帰することができない（例
えば、液体−気体の二相流における平均フィルム厚は液
体および気体の流量の両方に関連している。）。
冗長な情報の特定の量は、流れの条件の相関を改良す
る。これは、制限されたデータ量のみが最も実用的なア
プリケーションにおいて所定の流れの指標を計算するた
めに用いられ得るからであり、通常は、長期間にわたっ
て収集された膨大な量のデータよりもむしろ、数分の１
秒または数秒の読みに対するデータにアクセスされる。
したがって、２以上のデータの特徴が流れの現象につい
ての同様の情報を表している場合には、さらなるデータ
指標の使用により、相関精度が改良されることになる。
計測の平均値は別として、関心のあるデータの特徴
は、データの時間変化から得られる。データの変化の最
も簡易な特徴づけは、標準偏差である。加えて、波は、
１つの流れの条件を他から区別するために活用され得
る、その大きさ、形状および展開等の多くの特徴を有し
ている。時系列データ内の波について実施される２つの
最も簡易な観測は、その大きさおよび通過期間または通
過時期である。与えられた時系列におけるこれらの特徴
を特徴づける方法はいくつもある。これらのうちのいく
つかは以下に説明されている。二相流、統計学または計
装の当業者ならば実施するであろう、より多くのそのよ
うな計測はデータ内に存在している。
波の大きさおよび持続時間の単純な計測は、信号の振
幅、信号手段からの累積的な正または負の距離および通
過時間である。時系列信号からこれらの量を決定するこ
とは単純なことであると見えるけれども、これはしばし
ば、特に、高度に不規則なカオス的データの場合には困
難である。例えば、より小さい大きさの局所的なピーク
から波のピークを拾い上げることはしばしば困難であ
る。このため、１つの大きな波または複数の小さな波を
構成しているものを決定することはしばしば困難であ
る。このことは、カオス的システムに固有の重大な問題
を提起する：重要な現象は一般に物理的および時間の尺
度の広い範囲にわたって生ずる。主に、現象は、全尺度
にわたって生じ、フラクタル解析の一形態が、潜在的な
システム挙動を特徴づけるための尺度で、現象の分布を
特徴づける。多くの場合、１つの尺度で現象を特徴づけ
ることは、意味のある流れの指標を提供する。他の場
合、特に、非常に広い範囲の流れの条件を識別すること
を可能にするために、尺度に対する現象の変化が必要と
される。これらの場合に対して、少ない数の尺度にわた
る現象の特徴づけは、連続する尺度に含まれる膨大な情
報を提供する。このように、制限された程度の多数解解
析は、時系列データから識別される流れを増大させるこ
とができる。このことは、関心のある異なるスケールに
おいて生ずる特徴を試験するためのデータのソーティン
グまたはフィルタリングにより最も簡易に達成される。
最も大きな振幅を識別するための方法を以下に説明す
る。
第１に、データセットの平均および標準偏差が計算さ
れる。データ履歴が線（平均＋標準偏差）および線（平
均−標準偏差）を横切る全ての点が注目される。標準偏
差を「ゲート」値として使用することは、いくらか任意
のものである。すなわち、それは、データセットの全体
の変化を反映するという利点を有するものの、他の値で
はなくそれを選択することには何の本質的な理由もない
からである。（平均＋標準偏差）の交差の間に遭遇する
最高値および（平均−標準偏差）の交差の間に遭遇する
最低値は、全てのそのような発生について注目され、か
つ、平均化される。その結果は、「平均ピーク」および
「平均トラフ（trough）」と呼ばれる。
平均ピークと平均トラフとの差は、最も大きな波の振
幅の計測値として用いられる。
上述された平均振幅率は、大きなスケールの場合に対
する最も感度の高い識別結果を、いつも供給するという
わけではない。最も大きなスケールの場合が最も重要で
あるような場合において、指標量は、平均振幅値より
も、最も大きな振幅値を反映する。この場合、２乗平均
された振幅値が用いられる。これは、ピーク値の２乗平
均およびトラフ値の２乗平均の差異を用いるか、あるい
は、その差異を見つけるか、あるいは、（ピーク−トラ
フ）値の２乗平均を計算することにより、計算される。
連続するピーク値およびトラフ値が訂正されない場合、
２番目の方法は、１番目の方法に対して、わずかに大き
い、しかし、類似の結果を供給する。振幅値が相対的に
固定の方法において、ピーク値およびトラフ値が変化す
る場合、２番目の方法は、装置バリエーションの特性を
よりよく反映する。
上記文は、異なるスケールの場合が相対的に強調され
あるいは抑圧されることを許可する為に、一般化され
る。この方法では、様々な観察値が、以下の通りに重み
つけされる。
ｋ＝１の場合、単なる平均が計算され、各値を等しく
重みつけする。ｋ＝２の場合、２乗平均が計算され、大
きな値をより強く重みつける。ｋが１より小さい場合、
小さい値が強調される。
多くの場合において、高周波「ノイズ」は、連続した
読みの各対が仮想的に標準偏差線を示す重要な振幅であ
る。この高周波は、小さなスケールの装置の振る舞いの
高い頻度か、無秩序な器具のノイズかのいずれかを示
す。これが見つかるときは、データを滑らかにする必要
がある。データを滑らかにする１つの方法は、データの
移動平均をとることである。すなわち、 ここで、ｎは平均を取る幅である。高周波「ノイズ」の
１つの完全な周期（この周期は、しばしばいくつかのサ
ンプリング間隔となる。例えば、ｎ＝10）より大きなス
パンとなるように、上記幅の大きさは、選択される。こ
のプロセスは、簡単かつ即座に実行される。そして、そ
の結果、大きなスケールのデータ指標の計算を促進する
多くのより滑らかなデータセットを生じる。
いくつかの場合において、与えられた波の振幅は、総
合的な信号の履歴の分脈なしでは、無意味である。例え
ば、摩擦電気効果を用いることにより得られた信号は、
液体内に存在する自然発生電荷に依存している。電荷の
レベルは、流れの条件としばしば親密には関係しない制
御不能な因子に依存している。故に、振幅値を平均信号
変化のいくつかの測定値へ正規化することなしに、振幅
値を用いることは適当ではない。１つの明白な測定値
は、信号の標準偏差である。
前記方法は、大きなスケールの信号振幅を特徴つける
１つの方法を与える。１つの潜在的な強調は、他の線の
交差により先行されるまたは後に続く１つの標準偏差線
の交差のみを考えることである。この方法では、装置バ
リエーションの大部分を覆う大きな場合のみが考慮され
る。振幅を特徴つける他の方法は、関連技術内で熟練さ
れた方法にある。
大きな波を特徴つける他の方法は、それが囲む領域に
よる（時間に関する積分）。これは、波の振幅および持
続時間の効果を結合する。この方法では、平均振幅地点
（正および負の両方）の交差と各記録値との間で、信号
は積分される（または和が取られる）。正と負の積分値
の平均は、計算される。正と負の積分値の平均の差異
は、波の大きさの平均を特徴つける。この方法に対する
強調は、以下を含む。はじめに、標準偏差線を越えるこ
れらの場合のみに対して、積分を計算する。２番目に、
標準偏差線を越える部分のみの積分を計算する。３番目
に、大きな場合を目立たせるために、積分値の２乗平均
を計算する。明白に、多くの他のアナログ量は、関連技
術内で熟練した方法にある。
波の他の重要な特徴は、持続時間の周期である。も
し、前記量が計算されたならば、振幅測定値で領域測定
値を除算することにより、最初のそのような測定値は計
算されることができる。他の基本的な方法は、以下の通
りである。最初に、標準偏差線が越えられた地点を注意
するために、データセットを分類する。２番目に、各線
の交差間の時間差を計算する。３番目に、正および負の
標準偏差交差に対する時間差の平均をとる。これらの合
計は、大きな波の持続時間の測定値である。
この測定値に対する多くの可能な強調がある。これら
は以下を含む。はじめに、正の標準偏差線の「上り」交
差と、次の上りの交差（および、類似的には、負の偏差
線）との間の時間差を計算する。これらの時間差の平均
あるいは重み付けられた平均は、長い波周期をよりよく
特徴つける。２番目に、負の偏差線の交差に続いて起こ
る正の標準偏差線の「上り」交差と次の類似交差との間
の時間差を計算する。（この定着物の負の解釈を結合可
能な）この図の平均あるいは重み付けられた平均は、大
きな時間スケールの場合を、さらに力強く目立たせる。
大きなスケールの波（これは、他の測定値の計算の間
に必然的に生じる）の他の測定方法は、大きなスケール
の場合の数である。一緒に取得された、サイズ、持続時
間、大きなスケール場合の数の測定値は、大きなスケー
ルの流れの振る舞いの有意義な特徴を供給する。
小さなスケールの波のアナログ的な特徴も、流れの条
件を識別するのに有用である。前述したように、データ
は高周波「ノイズ」を含む。高周波ノイズは、機器ノイ
ズあるいは摩擦電気干渉に反射する。あるいは、高周波
ノイズは、実際の装置の振る舞いかも知れない。これら
のどれがそのケースであるかを決定することはしばしば
難しい。高周波の振る舞いが存在するか否かをみるため
には、１つの有用なテストは、管の中の流れなしに、デ
ータを記録することである。もし、高周波の振る舞いが
存在するならば、それは、流れとは関係なく、濾過され
るかあるいは滑らかに出力されなくてはならない。も
し、高周波の振る舞いが存在しないならば、それは、実
際の流れの振る舞いを反映する。この振る舞いは、流れ
の条件を識別するのに利用され得る。
もし、濾過あるいは滑らかにすることが必要ならば、
先に述べた移動平均技術が利用可能である。目的は、基
礎的な流れの情報を破壊することなく、ノイズ要素を外
すことである。いくつかの数値実験は、確実な滑らかな
計画を達成するために、必要かも知れない。例えば、様
々な窓の大きさの移動平均は、流れの無いデータセット
の為に、計算されることができる。該データセットで
は、全てのゼロでない読みがノイズを示す。窓の大きさ
は、ゼロからの出発を最小にするために、選ばれ得る。
滑らかにされた流れのないデータセット内に残っている
どの変化も、器具で有意義に観察され得る現象の大きさ
の長い弾みとして、観察され得る。
一度、適したデータセットが得られると（あるいは、
滑らかにされると）、小さな振る舞いは、観察され得
る。最も小さい液体の流れの振る舞いは、実際の測定器
具の分解能の下で、よく起きる。器具の分解能の大きさ
では、小さな場合は、流れの条件で変わる広い「構造」
として現れる。この構造の最も簡単な測定値は、連続し
た読み内における平均変化である。
ここで、絶対値は、読みから読みへの変化を特徴つけ
るために使用される。上述したように、この平均値は、
より長いスケールの場合、あるいは、より小さいスケー
ルの場合を強調するために、重み付けられ得る。もし、
滑らかなデータが用いられるならば、ステップを平均窓
サイズよりも小さくする為のこの量を計算する地点はな
い。これは、拒絶するために検索された移動平均である
ノイズを再提出する。
混乱したデータセットを特徴つけるために用いられ得
る他の量は、特徴付けられた自己相関時間である。この
量は、時間−範囲解析において学習された教訓を導く。
自己相関機能は、「時間遅延」によりセットされたデー
タの複写をタイムシフトすることにより、および、関連
する値の生成値の合計により、計算される。
この機能は、ゼロ時間遅延（ｊ＝０）の為の値が単一
であるように、しばしば、正規下される。混乱したデー
タに対する典型的な（正規下されていない）自己相関機
能は、図12に図示している。ゼロ時間遅延のための値
は、 である（Bernatowicz,H.,Cunningham.J.,and Wolff,S.,
k「低温度における測定のための摩擦電気効果を用いた
質量流れ計量器」NASA CR−179572,April1987参照）。
訂正されていない「漸近」振る舞いは、 である。特徴的な自己相関時間は、データセットの自己
相関が初期地点を残し、そして、「漸近」振る舞いに近
づく初期比率である。特徴的な自己相関時間は、流れの
速度［８］に関係する。多くの時間連続データのため
に、Δt characteristicはΔｔよりはるかに大きい。そ
して、Δt characteristicは、以下の式により簡単に近
づく。
ここで、Δt sampleは、データをサンプリングする間
隔である。ｎは、初期傾斜を計算するために、信号の１
つのコピーが抜かれるサンプルの回数である。多くの場
合、簡単な結果を得るｎ＝１を用いることは十分であ
る。そして、計算アルゴリズムは簡単に実行される。ｎ
および簡単な時間で値を得る結果の間、パラメータ計算
の与えられたセットと共に得られた結果は、流れの条件
を滑らかに変える。故に、信号計算アルゴリズムを矛盾
無く適用することは、最も正確にアルゴリズムを用いる
ことよりも、より重要である。
このポイントを単に簡潔に述べる重要な要因は、サン
プリング比率あるいはサンプリング間隔である。流れの
条件に対する流れの連続的な観察に関するための主要な
考察は、「十分な」サンプリング比率である。この構造
では、その特徴をデータのなかで有用にする十分な手段
は、有意義な流れの状態の反映を供給する。要求される
サンプリング比率を決定する１つの手段は、数値実験を
介するものである。もし、データが、（観察方法、デー
タ取得器具の有効な制限に従属する）最も高い有効な比
率で訂正されたならば、これらは、流れ感度におけるサ
ンプリング比率の効果を決定するために、吟味される。
これは、各測定、各２番目の測定、各３番目の測定……
を用いた様々な指標量の計算により、行われ得る。様々
な流れの条件について、測定間隔に対する指標量毎の値
をプロットすることにより、良い妥協サンプリング比率
が見つけられる。そのような妥協は、計算およびデータ
取得ハードウェアの関連費用、および、改善された反応
比率および器具感度の恩恵に対する要求される解析率を
考慮する。以下のような考察は、この吟味内で予測され
得る。
与えられた指標量は、安定したままであり、サンプリ
ング間隔で滑らかに変化する。サンプリング間隔が増え
ると、この滑らかさは消耗する。サンプリング間隔が単
に大きすぎ、感性を減らすので、あるいは、単に、指標
量の計算において、少ない数の観察が用いられので、こ
の滑らかさの消耗は起きる（例えば、もし、サンプリン
グ間隔が10ならば、多くのプロットの1/10が、間隔１に
対して有用である）。これらの理由のいずれかは、サン
プリング比率を選択するために十分である。本質的な感
度は、サンプリング比率を選択するための明確な理由で
ある一方、データ能力も同じく重要である。もし、与え
られた器具更新比率が望まれるならば、または、要求さ
れるならば、サンプリング比率は、計算された正確な指
標量を許可するために、十分な値でなくてはならない。
サンプリング間隔での指標量のプロットは、異なる流
れの条件において異なる。サンプリング間隔が増える
と、異なる流れの条件は、指標量の異なる値により、反
映される。大きなサンプリング間隔のために、これは消
耗でき、その結果、指標両極線は他の線と束になるか交
差する。好ましいサンプリング比率は、この問題を回避
するのに十分高い。
サンプリング比率の能力の最終決定は、データ指標を
流れの条件に関係つけることができる。故に、異なるサ
ンプリング間隔で計算された指標量を用いて、何回か、
流れの条件に対するデータを訂正することは価値があ
る。結果の関係のクオリティは、異なるサンプリング比
率の能力の強固な指標を供給する。
既知の流れの条件の各代表的なセットのために訂正さ
れたデータのために、一度、指標量のセットが計算され
ると、これらの指標量は、流れの条件に関係され得る。
故に、本発明の特徴的なものは、いくつかの図に示さ
れており、他には図示されていないが、これは、いくつ
かの特徴が、本発明に関する他のいくつかあるいは全て
の特徴と結合されるので、単に簡便のためである。
そして、他の実施形態は、本技術のこれらの熟練にあ
り、そして、以下の請求項に記載されている。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01F 1/66 G01F 1/74 G01N 29/02

Claims (50)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】管を通して流れの中に音響エネルギーを伝
    送するステップと、 戻りエコーを検出するステップと、 該戻りエコーから導かれる１または２種以上の流れの指
    標量を、該戻りエコーから計算するステップと、 計算された流れの指標量から、質量流量と流れのクオリ
    ティのうち少なくとも一つを決定するステップとを具備
    したことを特徴とする管内の二相流を解析する解析方
    法。
  2. 【請求項２】良好な読みを、検出された戻りエコーとし
    て定義し、戻りエコーを、管の中の液体流れの厚さを示
    すものと仮定し、 前記流れの指標量は、良好な厚さの読みの平均数と、連
    続した良好な読みの平均変化と、良好な読みの合計の平
    均割合のうちから選択した１または２以上のものとする
    ことを特徴とする請求項１記載の解析方法。
  3. 【請求項３】質量流量と流れのクオリティとの間を識別
    するために良好な読みの平均数によって割り算された良
    好な連続した読みの平均絶対値変化を計算するステップ
    を具備したことを特徴とする請求項２記載の解析方法。
  4. 【請求項４】流れの指標量は、良好な読みのRMSと、連
    続した読みのRMS変化と、１行の中の良好な読みの平均
    数と、一連の中の不良な読みの平均数と、特性自己相関
    時間とを具備したことを特徴とする請求項２記載の解析
    方法。
  5. 【請求項５】管の中の二相流の質量流量とクオリティと
    を評価するために、多数の前記流れ指標量と既知の流れ
    の状態とをマッチングさせる決定ステップを具備したこ
    とを特徴とする請求項１記載の解析方法。
  6. 【請求項６】前記マッチングステップは、質量流量とク
    オリティを評価するために、多数の前記流れ指標量と既
    知の流れ状態とをマッチングさせるためのニューラルネ
    ットワークを用いるステップを具備したことを特徴とす
    る請求項５記載の解析方法。
  7. 【請求項７】前記計算ステップは、流れクオリティに比
    較して連続した良好な読みの平均変化と、流れクオリテ
    ィに比較された一連の良好な厚さの読みの平均数との形
    でデータを得るステップを具備したことを特徴とする請
    求項２記載の解析方法。
  8. 【請求項８】管から流れの中に音響エネルギーを伝送す
    る伝送手段と、 戻りエコーを検出する検出手段と、 戻りエコーから１または２以上の流れの指標量を計算す
    る計算手段と、 前記計算手段に応答して、流れの指標量に基づいて流れ
    のクオリティと流量質量の内の一つを決定する決定手段
    と、 を具備したことを特徴とする管内の二相流を解析する解
    析装置。
  9. 【請求項９】音響エネルギーを伝送する前記伝送手段
    は、管にその軸方向に接続された複数のトランスデュー
    サーを有することを特徴とする請求項８に記載の解析装
    置。
  10. 【請求項１０】音響エネルギーを伝送する前記伝送手段
    は、順次、前記トランスデューをオンさせる手段を有す
    ることを特徴とする請求項９に記載の解析装置。
  11. 【請求項１１】戻りエコーを検出する前記検出手段は、
    管内の液体流れの厚さを意味する戻りエコーの数値を求
    めることを特徴とする請求項８に記載の解析装置。
  12. 【請求項１２】前記計算手段は、次の流れ指標量の１ま
    たは２以上を計算するものであって、流れの指標量は、 良好な読みの平均数と、連続した読みの平均変化と、良
    好な読み合計の平均割合とからなり、 良好な読みは、検出された戻りエコーとして定義される
    とともに、管内の液体流れの厚さを表示するものと仮定
    されるものであることを特徴とする請求項11に記載の解
    析装置。
  13. 【請求項１３】前記計算手段は、質量流量とクオリティ
    とを識別するための良好な読みの平均数によって割り算
    された連続した良好な読みにおいて平均絶対値変化の量
    を計算するものであることを特徴とする請求項12に記載
    の解析装置。
  14. 【請求項１４】前記流れ指標量は、良好な厚さの読みの
    RMSと、連続した良好な読みのRMS変化と、一連の良好な
    読みの平均数と、一連の不良な読みの平均数と、特性自
    己相関時間と、 を具備したことを特徴とする請求項12に記載の解析装
    置。
  15. 【請求項１５】前記決定手段は、前記計算された流れ指
    標量のうちの１または２以上を入力するとともに、実際
    の流れのクオリティとニューラルネットワークによって
    学習された質量流量パターンとに基づいて、流れのクオ
    リティと質量流量の内の一つを予測するために、パター
    ンマッチング・アルゴリズムを適用するニューラルネッ
    トワークを具備したことを特徴とする請求項12に記載の
    解析装置。
  16. 【請求項１６】管の壁から流れの中に音響エネルギーを
    伝送して流れから戻りエコーを発生させるステップと、 流れから戻りエコーを検出するステップと、二相の質量
    流量を計算するステップと、 質量流量と流れのクオリティのうちの少なくとも一つを
    戻りエコーから決定するステップとを具備したことを特
    徴とす管内の二相流のクオリティを決定する決定方法。
  17. 【請求項１７】音響エネルギーの前記伝送ステップは、
    管の外壁に超音波のパルスを供給すること具備したこと
    を特徴とする請求項16記載の流れのクオリティを決定す
    る決定方法。
  18. 【請求項１８】戻りエコーの前記検出ステップは、所定
    のエコー強度よりも大きいエコーの割合を決定すること
    を具備したことを特徴とする請求項16記載の流れのクオ
    リティを決定する決定方法。
  19. 【請求項１９】前記質量流量を決定するステップは、所
    定のエコー強度よりも大きいエコーの割合から二相の流
    量を決定することを具備したことを特徴とする請求項16
    記載の流れのクオリティを決定する決定方法。
  20. 【請求項２０】前記流れのクオリティを決定するステッ
    プは、戻りエコーから管表面の液体フィルムの厚さを計
    算することを具備したことを特徴とする請求項16記載の
    流れのクオリティを決定する決定方法。
  21. 【請求項２１】前記流れのクオリティを決定するステッ
    プは、計算された液体フィルムの厚さの平均変化を計算
    することを具備したことを特徴とする請求項20記載の流
    れのクオリティを決定する決定方法。
  22. 【請求項２２】前記流れのクオリティを決定するステッ
    プは、計算された平均フィルムの厚さを計算することを
    具備したことを特徴とする請求項21記載の流れのクオリ
    ティを決定する決定方法。
  23. 【請求項２３】前記流れのクオリティを決定するステッ
    プは、平均フィルムの厚さに対する平均変化の割合を決
    定することを具備したことを特徴とする請求項22記載の
    流れのクオリティを決定する決定方法。
  24. 【請求項２４】前記流れのクオリティを決定するステッ
    プは、流れから検出された戻りエコーから１または２以
    上の流れの指標量を計算することを具備したことを特徴
    とする請求項22記載の流れのクオリティを決定する決定
    方法。
  25. 【請求項２５】前記流れの指標量は、良好な厚さの読み
    の平均数と、連続した良好な読みの平均変化と、良好な
    読みの合計の平均割合との内の１または２以上を有し、
    良好な読みは、検出された戻りエコーとして定義され、
    管の中の液体流れの厚さの指標として仮定されるもので
    あることを特徴とする請求項24記載の流れのクオリティ
    を決定する決定方法。
  26. 【請求項２６】質量流量とクオリティとを識別するため
    に、良好な読みの平均数によって割り算された連続した
    良好な読みの平均絶対値変化の量を計算することを具備
    したことを特徴とする請求項25記載の流れのクオリティ
    を決定する決定方法。
  27. 【請求項２７】前記流れの指標量は、良好な厚さの読み
    のRMSと、連続した良好な読みのRMS変化と、一連の良好
    な読みの平均数と、一連の不良な読みの平均数と、特性
    自己相関時間とを具備したことを特徴とする請求項25記
    載の流れのクオリティを決定する決定方法。
  28. 【請求項２８】前記質量流量と流れのクオリティとを決
    定するステップは、前記流れの指標量と既知の流れの状
    態とをマッチングさせるために、ニューラルネットワー
    クに対して前記流れの指標量のうち１または２以上を適
    用することを具備したことを特徴とする請求項16記載の
    流れのクオリティを決定する決定方法。
  29. 【請求項２９】管の壁から流れの中に音響エネルギーを
    伝送して流れの戻りエコーから発生する手段と、 流れから戻りエコーを検出する検出手段と、 二相の質量流量を計算する計算手段と、 質量流量と流れのクオリティのうち少なくとも一つを戻
    りエコーから決定する決定手段と、 を具備したことを特徴とする管の中の２層の流れのクオ
    リティを決定する決定装置。
  30. 【請求項３０】音響エネルギーを伝送する前記手段は、
    管の外壁に超音波パルスを供給することを具備してなる
    請求項29記載の装置。
  31. 【請求項３１】戻りエコーを検出する前記検出手段は、
    所定のエコー強度よりも大きいエコーの割合を決定する
    ことを具備してなる請求項29記載の装置。
  32. 【請求項３２】質量流量を計算する前記計算手段は、所
    定のエコー強度よりも大きい戻りエコーの割合から二相
    の流量を決定する手段を具備してなる請求項31記載の装
    置。
  33. 【請求項３３】決定するための前記決定手段は、戻りエ
    コーから管の表面の液体フィルム厚さを計算する手段を
    具備してなる請求項29記載の装置。
  34. 【請求項３４】前記決定手段は、計算された液体フィル
    ムの厚さの平均変化を計算する手段を具備してなる請求
    項33記載の装置。
  35. 【請求項３５】前記決定手段は、計算されたフィルムの
    平均の厚さを計算する手段を具備してなる請求項34記載
    の装置。
  36. 【請求項３６】前記決定手段は、フィルムの平均厚さに
    対して平均変化の割合を計算する手段を具備してなる請
    求項35記載の装置。
  37. 【請求項３７】前記決定手段は、戻りエコーから１また
    は２以上の流れの指標量を計算する手段を具備してなる
    請求項29記載の装置。
  38. 【請求項３８】前記流れの指標量は、良好な厚さの読み
    の平均数と、連続した良好な読みの平均変化と、良好な
    読みである合計の平均割合とからなるうちの１または２
    以上を具備し、良好な読みは、検出される戻りエコーと
    して定義され、管の中の液体流れの厚さの指標として仮
    定される請求項37の装置。
  39. 【請求項３９】質量流量とクオリティとを識別するため
    に、良好な読みの平均数によって割り算された連続した
    良好な読みの平均絶対値変化の量を計算することを具備
    して成る請求項37の装置。
  40. 【請求項４０】前記流れの指標量は、良好な厚さの読み
    のRMSと、連続した良好な読みのRMS変化と、一連の良好
    な読みの平均数と、一連の不良な読みの平均数と、特性
    自己相関時間とを具備して成る請求項38の装置。
  41. 【請求項４１】前記流れのクオリティを決定する決定手
    段は、前記流れの指標量と既知の流れの状態とをマッチ
    ングさせるためにニューラルネットワークを具備して成
    る請求項29の装置。
  42. 【請求項４２】管の壁から流れの中に音響エネルギーを
    伝送して流れの戻りエコーから生成するステップと、 所定のエコー強度よりも大きい戻りエコーの量を検出す
    る検出ステップと、 戻りエコーの量から二相流の質量流量を決定する決定ス
    テップと、 管壁の表面の液体フィルムの厚さを戻りエコーから計算
    する計算ステップと、 計算された液体フィルムの厚さの平均変化と、計算され
    たフィルムの平均厚さと、フィルムの平均厚さに対する
    平均変化の割合から流れのクオリティとを決定する決定
    ステップと、 を有して成ることを特徴とする管の中の二相流の質量流
    量とクオリティを決定する決定方法。
  43. 【請求項４３】二相流を有する管の感知手段を使用し、 管の中の流れの代表的な複数の流れの指標量を検出する
    感知手段を動作させ、 多数の前記流れの指標量から、流量と流れのクオリティ
    のうちの少なくとも一つを決定することを特徴とする管
    の中の二相流を解析する解析方法。
  44. 【請求項４４】前記の決定は、既知の流れの状態と多数
    の流れの指標量とを比較することを具備して成る請求項
    43の解析方法。
  45. 【請求項４５】管と連通して管の中の流れの代表的な複
    数の流れの指標量を検出するための感知手段と、 流量と流れのクオリティのうちの少なくとも一つを決定
    するために、多数の前記流れの指標量に応答する応答手
    段と、 を具備して成ることを特徴とする管の中の二相流を解析
    する解析装置。
  46. 【請求項４６】前記決定手段は、多数の前記流れの指標
    量と既知の流れの状態とを比較する手段を具備して成る
    請求項45記載の装置。
  47. 【請求項４７】前記感知手段に応答してフィルムの平均
    厚さを測定する手段を有する請求項45記載の装置。
  48. 【請求項４８】前記感知手段に応答して流れの条件の多
    くの変化を測定する手段を有する請求項45記載の装置。
  49. 【請求項４９】流れの条件の変化を測定する前記手段
    は、流れの中の波の存在を測定する手段を有する請求項
    48記載の装置。
  50. 【請求項５０】流れの中の波の存在を測定する前記手段
    は、流れの中で１つの波が通過する時間と波の増幅とを
    検出する手段とを有する請求項49記載の装置。
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