JP3200167B2 - 液体流の質量流量の測定方法 - Google Patents

液体流の質量流量の測定方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は二つの相（ガス／液体）
の供給ノズルにおける流体の流れの質量流量を測定する
方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】二相ノズルは種々の用途にとって、特に
化学又は石油処理作用における噴霧供給の噴射にとって
重要である。多くのこのような処理において、操作性と
選択性の向上は、噴霧された炭化水素液体が制御され測
定されたやり方で反応領域に噴霧された特、特に処理触
媒が必要とされる時にもたらされる。１つの例はより高
い沸とう石油留分（混合物から分離された部分）の流動
化された接触分解（ｆｌｕｉｄ ｃａｔａｌｙｔｉｃ
ｃｒａｃｋｉｎｇ）（ＦＣＣ）の処理である。典型的に
は、高度の供給噴霧は、液体の供給にガスを混合しこの
混合物を細かに分散された滴を生じるようになっている
供給ノズルからこの処理工程に噴射することにより達成
される。接触分解においては、スチームが噴霧用ガスと
して典型的に使用されるが、任意の処理に適合したガス
を用いることができる。
【０００３】処理容器の中に噴霧される噴霧化された液
体の分布を制御し測定するという要求は通常多数の供給
用具又はノズルを用いることで満たされる。噴霧のため
のガスに対する液体の適正な混合を保持しまた各ノズル
が特定の液体又は質量流を運ぶのを保証することは、利
用可能な装置に作動上の利益をもたらす。１つの普通の
作動モードは各ノズルに均一な液体の流れを保持するこ
とである。多数の供給ノズルを有する大概の設備は個々
のノズルへの液体ラインとガスライン上に締切弁又は制
限オリフィスを通常含んでいるが、これら弁又はノズル
は液体の流れを独特なやり方で決定するものではない。
ノズルが共通のマニホルドから供給される時は、したが
って、全マニホルドへの正味の液体の流れが容易に測定
できるだけであるため各ノズルを通る液体の流れが最適
となることを保証するものではない。事実、種々の分岐
管で送られたノズルの流れの測定は通常、各ノズルへの
均一な液体の流れからは著しくかけ離れていることを示
している。これに対し、ノズルへのガスの流れは通常、
個々のノズルへのガスの比較的均一な分配を保証するガ
スライン上の制限オリフィスによって決定される。
【０００４】液体の質量流の測定は新しいことではな
い。質量流を測定するために用いられた様々な流量計が
ある。これら流量計のあるものはもっぱら機械式であ
り、車輪を回転させるか針を偏向させるかするため運動
する液体の力を利用している。このような流量計は単一
相の条件で質量流量を測定することができるだけで、通
常は非粘着性液体に限定される。石油及び石油化学産業
にとって普通の単一相の流れに利用可能なこれらの流量
計は非常に高価となる傾向がある。流れの粘性を減少さ
せるために保たれる非常に高い温度はさらに他の複雑化
をもたらす。さらに、使用液体はこの流量計の機械的構
成部品を容易に汚損しまた閉塞する。
【０００５】流れの中に置かれた障害物から生じる渦の
跡を利用して渦発散の周波数から流れの速度を測定する
“渦流量計”として様々な流量計が知られている。これ
らの流量計もまた単一相の流れに限定される。さらに、
これらの流量計は流れの中に障害物を置くことを必要と
し、そのため詰まる傾向がある。大概の装置の温度範囲
は、障物物によって発生した音を捕えるのに必要とされ
る音響変換器に基本的な制限があるため狭いものとな
る。
【０００６】流れを測定するために超音波を利用する種
々の音響流量計がある。このような流量計の種類は、運
動流体を収容するパイプに取付けられた超音波変換器／
受信器と、相互の上流側及び／又は下流側で同一パイプ
に取付けられた超音波受信器／変換器とを用いる。多く
の石油及び石油化学処理の高い作動温度は、実際の音響
装置の取付けの幾何学的な制約と共に、これらの流量計
を高価なものとしまた多くの石油及び石油化学上の用途
に適用するのを困難にする。この作動温度はしばしば多
くの単一相流量計の作動限界を超える。
【０００７】二相ノズルを通って流れるガス／液体混合
物の液体留分の測定は困難である。流れ測定のための通
常の装置は流れの速度又はその圧力に対してのみ敏感で
質量流量に対しては敏感でない。したがって、このよう
な装置は混合物の密度の別々の測定及び等分に複合され
た測定なしでは、液体の流れを測定することができな
い。単一相の液体の流れを測定することのできる装置は
高価であり、またこれらの装置が混合物の液体部分によ
って容易に詰まらされる流れの中へのオリフィス又は障
壁の挿入を必要とするため、じゃまされることが多い。
大概の石油及び石油化学用途においては二相混合物が上
昇された温度に保たれて流れにとって十分低い粘性を得
るようにするので、流れ測定装置においても温度上の制
限がある。
【０００８】したがって、大概の石油及び石油化学の設
備は各供給ノズルに対しては流れの測定を行わないが、
その理由は、処理条件とパイプの幾何学的制限の厳しさ
とのため適当な容易に保守される流量計が高価となるか
らである。このような苛酷な条件を満足させる特殊構成
の流量計の開発は、著しい費用と望ましくない複雑さと
を必要とするものとなる。
【０００９】石油及び石油化学処理ユニットは分岐管で
送られる供給ノズルからの特定の液体の分配をもたらす
改良された作動を現出することができるが、マニホルド
への正味の液体の流れだけが通常測定され又は制御され
る。しかし、測定機構なしでは供給ノズルの中で所望の
流れの分布を得る可能性は、ノズルを出る二相の流体の
複合性質のため小さい。液体分布の不確実性は液体供給
の一部が蒸発される可能性によって増大される。
【００１０】この流れの不均衡の存在は通常、異常な処
理条件により又は延長された時間にわたってのユニット
出力収率の変化から推定されるだけである。さらに、供
給ノズルは著しい流れの悪分配をもたらす部分的な詰ま
り又は侵食を生じ、この悪分配はユニットが保守のため
休止するまで判然としないままとなる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】本発明は別々の二相
（ガス／液体）供給装置における液体供給の質量流量を
測定する方法を教示する。本発明は流れに対し抵抗なし
にまた突出することなしにこの流量の測定が （１）この二相（ガス／液体）の流れへのガスの付与を
制御する制限オリフィス（ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎ ｏ
ｒｉｆｉｃｅ）（ＲＯ）の下流側と音響的接触して圧力
変換器を用いるか、又は （２）二相（ガス／液体）の流れへのガスの付与を制御
する制限オリフィス（ＲＯ）から生じる固体伝播音と接
触して加速度計又は他の振動センサを用いるかして、い
かに成し遂げるかを示すものである。“突出することな
しに”という用語はセンサがパイプ内部の表面とほぼ同
一面上に恒久的に取付けることができるが、流れの中に
突出することはないことを意味する。
【００１２】本発明で教示する方法から、液体流量は個
々の供給装置又はノズルでの広範囲の液体／ガス噴霧条
件に対し実時間で測定されかつ監視することができる。
この方法は流れる流体の質量に関する量を測定するの
で、二相流体噴霧装置の多くの種類にとって広く適用す
ることができる。この方法は流れ装置及び配管に本来備
わっている振動と共鳴に依存するだけであるため、様々
な装置に迅速かつ容易に適用することができる。本発明
の出力はもっぱら電子的であるため、出力は容易に制御
装置に伝達され、またこの方法は１つの共通のマニホル
ドから供給される個々のノズルを通る供給噴霧と供給流
れとを自動的に測定し制御するのに用いることができ
る。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明は二相（ガス／液
体）供給ノズルから出る液体の流れの質量流量を測定す
る方法である。本発明は液体の質量と容積の流量がほぼ
一定の液体密度に関係するので液体の容積の流れを測定
する方法として表現することもできる。以下の記載に便
利のため、“質量流”なる用語は液体質量流と液体容積
流との両方を示すのに用いられる。
【００１４】本発明の方法は、ガスの流れを制御する制
限オリフィス（ＲＯ）に密接した加速度計の出力からパ
ワースペクトル（振動数スペクトル）を決定すること、
又は制限オリフィス（ＲＯ）の下流側におけるガスの流
れと接触する圧力変換器の出力からパワースペクトル密
度を（振動数スペクトル）を決定することを含んでい
る。各振動センサのパワースペクトル密度の０から２０
キロヘルツの範囲の周波数の帯域はその大きさがノズル
を通る液体の流れに逆比例する基準最大値を含むように
決定される。以下の記載において、これらの最大値はガ
ス流最大値（Ｇａｓ Ｆｌｏｗ Ｐｅａｋｓ）又はＧＦ
Ｐとして表わされる。このＧＦＰは比較的高い周波数で
そして通常は３，０００ヘルツと２０，０００ヘルツと
の間で見出されることが通常実験的に知られている。こ
のＧＦＰを含む周波数帯域におけるパワースペクトルの
面積の平方根はＡＧＦＰで表わされまたこの帯域を超え
る２乗平均平方根振動信号（Ｒｏｏｔ Ｍｅａｎ Ｓｑ
ｕａｒｅ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎａｌ Ｓｉｇｎａｌ）
（ＲＭＳ加速度又はＲＭＳ圧力）を決定する。このＡＧ
ＦＰは当該ノズルを通る液体の流れに逆比例して変動す
ることが知られている数である。液体の流れはＲＭＳ振
動信号（ＡＧＦＰ）と質量もしくは液体流量との間の予
め決められた相関関係から得ることができる。この相関
関係から液体もしくは質量流量は振動パワースペクトル
の測定の時に決定される。本発明を実施するために、ノ
ズル内部の二相流れに機械的要素を挿入することは必要
でない。本発明はしたがって質量もしくは液体流量の突
出部のない測定であり、ガス、液体又は固体伝播音との
音響的接触が必要とされるものの全てである。本発明の
利点の１つは、この方法がノズルの幾何学形状に依存せ
ず、混合用羽根を有するか又は流れ制限を設けるかによ
って、ガス／液体の混合を行う各ノズルに対して均等に
工合良く作動することである。
【００１５】振動センサのパワースペクトルは振動セン
サの出力の２乗の周波数分布として定義づけられる（パ
ワースペクトル密度）。このパワースペクトル密度は単
位周波数（ヘルツ）について２乗された加速度又はヘル
ツ（Hz）当りに２乗された圧力からなる本発明の単位を
有している。パワースペクトルは任意の周波数領域に関
しパワースペクトル密度の面積が振動センサの出力の平
均２乗に等しいという特性を有しており、本発明にとっ
てパワースペクトル密度の面積は平均２乗加速度か平均
２乗圧力かのいずれかである。周波数の関数としてパワ
ースペクトル密度の図表上の曲線で示されるパワースペ
クトルは振動センサの出力をデジタル信号処理装置（Ｂ
ｒｕｅｌ ａｎｄ Ｋｊａｅｒ ２０３２又は同様のも
の）に入力することによって最も簡単に得られる。これ
らの環境のもとでは、圧力又は加速度パワースペクトル
密度の平方根に比例するＲＭＳ圧力又は加速度スペクト
ルを図で表示するのが便利であることが多い。また、周
波数の１つの帯域についてＲＭＳ加速度又はＲＭＳ圧力
として振動センサのパワースペクトルの面積の平方根を
図表上に点をたどって曲線で描くことが便利であること
が多い。
【００１６】
【実施例】本発明は、二相（ガス／液体）ノズルへのガ
スの流れが制限オリフィス（ＲＯ）により制御される１
つの二相ノズルから出る液体（質量）流量を突出部なし
で測定しかつ監視する方法である。この方法は、ノズル
を出る液体の質量流量に反比例して変化することが発見
されている、ＲＯを通って流れるガスによって発せられ
た振動信号を測定することからなっている。本発明の１
つの実施例においては、この振動信号は、ＲＯを通るガ
ス流によって発生された音のエネルギに、固体伝播音を
介して接触して置かれた、加速度計によって測定され
る。本発明の他の実施態様においては、振動信号はＲＯ
を通るガス流によって発生された音のエネルギにガス又
は液体接触する動圧ゲージによって測定される。
【００１７】上記２つの実施例において、これらセンサ
のいずれかからの時間変化電気信号が増幅されそれから
次の処理のため記録されるか又はパワースペクトルに直
接加工処理される。このパワースペクトルはＲＯ内に発
生した音エネルギ又は音響ノイズの計算された周波数の
内容（パワースペクトル密度）を表示する。音響ノイズ
信号が液体流と相互に関連する電子装置の概要が以下に
記載される。流動接触分解反応装置（接触分解装置）の
二相供給ノズルが例示上の目的で多く用いられるが、本
発明はこれを用いることのみに限定されるものではな
い。
【００１８】図１は接触流れ３が表示されて供給上昇管
２の中へ噴射する８個の（この実施例として）供給ノズ
ル１の配置を示す典型的な流動接触分解ユニット（ＦＣ
Ｃユニット）の噴射領域の概略図である。供給ノズルへ
のオイルは図２に示されるようにヘッダー（管寄せ）４
から共通のマニホルド５に分配される。図に示されるよ
うに、各ラインの個々の締切弁７がノズル６へのオイル
の流れを制御する。図３に示されるように、スチーム９
とオイル１１が個々のノズルに供給され、ここでスチー
ムがオイルの噴霧とオイルが出る時ノズルを塞がないよ
うにすることとの２つの目的を果たす。オイルの流れは
図３に示されるように締切弁１２により制御され、スチ
ームの流れは、典型的には“チョーク流れ”の条件のも
とで下流側圧力とは独立したスチームの一定質量流を保
持する、制限オリフィス（ＲＯ）１０を通る高圧スチー
ム流を有することにより、制御される。ＲＯの上流側圧
力は典型的には一定に保たれる。ノズルは供給上昇管壁
１３の中に突出し霧化されたオイル１４を接触流１５の
中に散乱させるようにする。
【００１９】図４は個々の供給ノズルをさらに詳細に示
している。締切弁１７を通って流れるオイル１６はＲＯ
１９により制御されるスチーム１８と混合する。このオ
イル／スチーム混合点２０はオイル弁とＲＯとの両方の
下流側に位置する。この混合物はノズル筒２１を通って
ノズル先端２２へと押圧されこのノズル先端から噴霧２
３として流出する。
【００２０】本発明の１つの実施例では、振動センサ２
４が、ＲＯ１９を支持するフランジ２５上にもしくはそ
の近くに置かれ又はＲＯで発生した音と振動とに直接接
触する任意の場所に置かれる。加速度がＲＯにより発生
された流れノイズの変化に対し感度の良い任意の場所が
ＲＯ１９、ロッド通しプラグ２６又はロッド通しプラグ
フランジ２７を含むように利用できる。本発明の他の実
施例では、動圧変換器がＲＯ又はオイル／スチーム混合
点の下流側の流れと接触するよう配置される。変換器が
流量の変化に対し感度の良い任意の場所を利用できる。
【００２１】加速度計又は図５及び図９に示される動圧
変換器からの時間依存電気信号の大きさは、供給ノズル
（加速度計）の表面の振動パワー及び／又は内部（動圧
変換器の）の流体に比例する。定量的には、時間間隔に
関するこの信号の２乗の平均値がこの時間間隔について
の平均２乗パワーに比例する。この量は図６に示される
ようなノズルを出る乱流によって発生されている振動エ
ネルギの１つの尺度である。以下の記載において、加速
度計もしくは“振動信号”としての動圧信号の出力及び
加速度計もしくは“振動パワー”としての動圧変換器の
出力の２乗と言うことがある。
【００２２】本発明は振動パワー…すなわち周波数に関
する振動パワーの分布のもう１つの尺度を利用する。よ
く知られているように、振動パワーの分布は、周波数の
関数としてのパワースペクトルの図表上の曲線である振
動センサのパワースペクトルによって与えられる。図７
は図５の時間変化ランダム信号のパワースペクトルを示
す。任意の周波数領域に関するパワースペクトル密度の
面積はこの周波数領域の時間変化信号の平均２乗振動エ
ネルギ（図６）に比例する。加速度計（動圧変換器）に
とってのパワースペクトル密度はヘルツ当りの２乗され
た加速度（ヘルツ当りの２乗された圧力）の単位を有し
ている。
【００２３】ＲＭＳスペクトル密度が図８に示されるよ
うに周波数の関数としてプロットされる（図表上に曲線
で表わされる）ＲＭＳパワースペクトルを表示すること
がさらに便利なことが多い。ＲＭＳは“２乗平均”（Ｒ
ｏｏｔ ＭｅａｎＳｑｕａｒｅ）を表わす。加速度計
（動圧変換器）に対するこのＲＭＳパワースペクトル密
度はＲＭＳ加速度（ＲＭＳ圧力）の単位を有している。
一定因子の範囲でＲＭＳ加速度（又は圧力）は加速度又
は圧力についてのパワースペクトルの平方根に等しい。
デジタル信号処理の技術に習熟した者にとってよく知ら
れているように加速度（圧力）のパワースペクトルとＲ
ＭＳ加速度（圧力）スペクトルとの間の比例因子は信号
処理装置の周波数分解能の平方根である。
【００２４】加速度センサと圧力振動センサとの両方に
関する電気出力はデジタル信号処理装置又はその均等技
術によって時間の関数から周波数の１つに変換される。
パワースペクトルは信号のパワーを周波数の関数として
表示しまたある周波数帯域に関するパワースペクトル密
度の面積がこの周波数帯域における振動パワーに比例す
るという独特の特性を有している。
【００２５】本発明は、一定領域のパワースペクトルに
おける振動パワーを二相ノズルを出る液体流を測定する
のに用いることができるという発見に基づいて反応装置
の中に二相（ガス／液体）流れを噴射するノズルのため
の液体流計量器を記載する。ある場合には、この流れを
測定する方法はパワースペクトルにおける特定の最大値
のパワーを利用し、また他の場合には、この最大値を含
むパワースペクトルでの周波数の帯域のパワーをまたノ
ズルを出る液体流の尺度とすることができることを示す
ことができる。
【００２６】全体のパワースペクトルを計算することに
ついて重要なコスト上又は実施上の利点を有するような
他の信号処理技術がある。例えば、上記帯域の周波数が
一旦識別されると、この帯域のエネルギ容量は種々の方
法で決定することができる。パワー検知が後に続く振動
センサからの信号のデジタル（又はその他の）帯域通過
フィルタが、選択された帯域幅に関するパワースペクト
ルの面積を測定する手段の均等物である。周波数の１つ
の帯域に関する振動信号のエネルギ容量が決定される特
別の信号処理技術は、その面積がノズルを出る液体の質
量の感度の関数であるような最大値又は一連の最大値を
周波数領域が含んでいる限りにおいて、決定的なもので
はない。振動信号の必要な信号処理が噴射ノズルに近接
する台上で行われるか又は制御室でもしくはその間で行
われるかは本発明の目的にとって、また致命的なもので
はない。
【００２７】本発明はガス流が制限オリフィスにより制
御される二相ノズルにおける液体流を測定するための包
括的な方法を記載する。オイルを流量接触分解ユニット
（ＦＣＣユニット）の中に噴射するのに用いられるノズ
ルは特に重要なものであり、本発明の実施例において用
いられる。これらのノズルにとって、ガスはスチームで
あり、液体はオイルである。ＲＯを通るガス流によって
発生された振動パワーは振動パワーの最大値の集団とし
て周波数帯域に集中される。
【００２８】本発明の目的にとって、音場較正が用いら
れてその面積（又は平均２乗振動パワー）がＲＯを通る
ガス流によって発生された音響ノイズの強力な関数であ
るパワースペクトルの最大値とその関連領域とを確認す
ることが重大である。以下の記載において、これらの最
大値はガス流最大値（Ｇａｓ Ｆｌｏｗ Ｐｅａｋｓ）
（ＧＦＰ）として表わされる。本発明において、このガ
ス流最大値を含む周波数帯域における振動パワーの尺度
は、ガス流最大値を含む周波数帯域に関するパワースペ
クトル密度の面積の平方根によって定義されるＲＭＳ加
速度（又は圧力）である。この面積はＡＧＦＰとして表
わされまたＲＭＳ加速度（又は圧力）の単位を有してい
る。ＡＧＦＰが液体流の容積とは反比例して相互に関連
することが発見されている。多くの場合、ＡＧＦＰは液
体流量の逆一次関数であるが、本発明の目的にとっては
そうでなければならないものではない。ＡＧＦＰはノズ
ルからの液体流との間の相互関係因子の確立は、液体が
直接測定できる試験設備において又は後述する音場較正
によって、行われることができる。周波数スペクトルの
ガス流最大値より低く、ノズルを通る液体流に主として
応動する液体流最大値がある。これらの液体流最大値は
本発明に対しては関連がない。
【００２９】図９は振動センサ（加速度計又は動圧）か
らの時間変化信号を示す。図１０はこのような変換器の
パワースペクトル密度の曲線を示している。Ｆ1 とＦ2
との間の最大値はＧＦＰを表わすことを意味している。
周波数Ｆ1 とＦ2 との間のパワースペクトル密度曲線よ
り下側の面積がＡＧＦＰである。この面積はＦ1 とＦ 2
の間の周波数帯域における振動センサの平均２乗パワー
に等しい。
【００３０】ガス流最大値（ＧＦＰ）がその液体流との
相関関係から確認されると、ＡＧＦＰは様々な方法で決
定することができる。１つの手段はデジタル信号処理装
置に基づき上記のように記載されている。ある時には便
利である他の方法がある。例えば、図９に示される本来
の振動信号はＦ1 より低くＦ2 より高い周波数で振動エ
ネルギを強く減少させるろ波器を通過することができ
る。このようなろ波器はデジタル又はアナログ“帯域通
過フィルタ”として知られている。図９に示される振動
信号がこのろ波器を通されたならば、出力は図１１に示
されるような異なった振動信号となる。図１１に示され
る信号は図１２に示すようなＦ1 とＦ2 との間の限定さ
れたパワースペクトル密度を有するだけである。図１１
の時間変化信号は適当な電子装置において２乗すること
ができまた図１２に示されたＡＧＦＰに比例するｄｃ信
号を与えるために平均する（調整されかつろ波され）こ
とができる。
【００３１】ガス流最大値（ＧＦＰ）は通常３０００Hz
以上でありスペクトルをこの領域で支配する振幅を有し
ていることが知られている。図１３は、周波数スペクト
ルの下端における作動供給ノズルの“ロッド通しプラ
グ”上に取付けられた加速度計からの振動パワースペク
トルが液体流（オイル）により最大値であることを示し
ている。このガス流最大値（ＧＦＰ）はこのノズルにつ
いて３０００Hzと１２，０００Hzとの間の周波数領域で
見出される。
【００３２】図１４は、スチームを特定の供給ノズル
（図４の位置２７）に供給するＲＯを保持するフランジ
の面上に取付けられた加速度計から得られる周波数領域
０〜１２．８ KHzに関する一連のＲＭＳ加速度スペクト
ルを示している。この場合液体流によって生じた最大値
はＧＦＰに関し０から１２，８００Hzにわたる領域では
無視できる。オイル流の増加に伴ってガス最大値が減少
するのは明らかである。図１５は流れの２つの量、すな
わち０〜１２．８ KHzの領域におけるパワースペクトル
の面積と５ KHzと６ KHzとの間のパワースペクトルの面
積との間の反比例の相互関係を示している。ＲＯを通る
ガス流によって発生された音響ノイズのいずれかの量は
液体流を監視するのに十分である。表示されているよう
に、パワースペクトル密度の周波数領域は１つだけの主
要な最大値又は一連の最大値を含むことができる。この
図では、ノズルを制御する締切弁がマニホルドへのオイ
ル流が一定に保持される条件のもとで完全開放から完全
閉鎖に変えられたときのマニホルドにおける圧力の変化
から、流れが見積りされている。これらの条件のもと
で、締切弁が完全開放から完全閉鎖に切換えられたとき
のノズルへのオイル流は、マニホルド圧力に反比例す
る。マニホルド圧力の測定はしたがって正規化された流
れの測定を可能にする。当該ノズルへの分当りガロンの
絶対液体質量（又は容積）流量の測定は、マニホルド流
の変化が別個に測定されるマニホルド圧力条件のもとで
ＡＧＦＰの別個の較正又は測定を必要とする。
【００３３】図１６及び１７は、ノズルを制御する締切
弁が完全開放から完全閉鎖に切換えられた時のマニホル
ドへのオイル流の変化を測定することによって流れが直
接測定された他の型式の供給ノズルについての同様な一
組の振動データを示す。図１７においてＲＭＳ加速度
（ＡＧＦＰ）は０〜１５，０００Hzの周波数帯域につい
て取られた。
【００３４】音響ノイズ信号とノズルからの液体流との
強度の反比例関係は図１５と図１７とに示され、また
“ロッド通しプラグ”（図４の位置２６）又はＦＣＣユ
ニット上の特殊供給ノズルのＲＯを保持するフランジの
縁（図４の位置２７）に置かれた加速度計に関し図１８
と図１９にも示されている。この反比例関係（但し図１
７，１８及び１９に示されるようなＡＧＦＰと液体流と
の直線的関係ではない）はオイル流の減少（増加）がＲ
Ｏを横切る圧力降下の増加（減少）をもたらすものでは
ないことによって真実らしくすることができる。ＲＯを
横切る圧力降下の増加（減少）はしたがって振動パワー
の増加（減少）に一致する。信号の本質的に直線状の変
化は驚くべきことであるが、図１５，１７及び１８に示
されるようなデータの特徴であることが多い。
【００３５】本発明はノズルへのガス供給の制限オリフ
ィス（ＲＯ）を出るガス内部の振動パワーの測定から又
は振動パワーによって発生された固体伝播音から、液体
流を測定しまた監視する方法である。以下の記述は、何
故に本発明において記載される方法が液体流を測定する
のに用いることができるかについてもっともらしい説明
をする。しかし、本発明はこの記載に限定されるもので
はないことが理解されるべきである。
【００３６】上記のパワースペクトルにおいて示された
ガス流最大値は多分ＲＯを通るスチームの流れにより発
生された乱流と音響的衝撃とによって生じたものであ
る。音響エネルギがＲＯを通る流れによって生じること
は驚くにあたらないが、その理由はＲＯを横切る圧力降
下が通常、ガスの流速が音の速度（“チョーク流”）に
接近する“臨界流”に対応するよう設計されているから
である。これらの条件のもとで、ＲＯを通る質量流は図
２０に示されるように下流側ＲＯ圧力降下とは比較的無
関係である。図２０は一定の上流側圧力についてＲＯを
横切る圧力降下の関数としてＲＯを通る窒素の質量流の
研究室測定の結果を示している。しかし、ガスの質量流
は圧力降下（図２０）に対して比較的感度が良くない
が、ＲＯを通るガス流によって発生されかつ加速度計又
はガス圧力の変動による固定伝播音としてピックアップ
された音響パワーは図２１に示されるようにＲＯを横切
る分子流の強い連続した関数である。図２２に示される
ように、ＲＭＳ加速度は下流側ガス速度の２乗として変
化する。図２１と図２２とから、ＲＭＳ加速度が臨界流
以下で良好に増加し始めることを知ることが重要であ
る。図２２はこの“臨界付近”流の条件のもとでのＡＧ
ＦＰとＲＯの下流側ガス速度との強い相互関係を示して
いる。図２３はＲＯを横切る圧力降下とＲＭＳ加速度と
の同様の強い相互関係を示している。
【００３７】流れ音響パワーとこれに結合される固定伝
播音との圧力降下又は下流側流速への強い依存は、音響
パワーがＲＯ内部の変動圧力によって発生されることを
考えたならば初歩的な思考によって理解することができ
る。標準テキストから、ＲＯにおいて変動圧力によって
発生された音響パワーは、ＲＯへの運動エネルギ流量ρ
Ｖ3 〔ここでＶは流れの速度、ρはガスの密度〕と、
（Ｖ／Ｃs ）3 〔ここでＣS はガスの音の速度〕で与え
られる変動圧力による音発生の音響効率との積によって
与えられる。したがってこの機構に関して、ＡＧＰ〔Ｒ
ＭＳ加速度（又は圧力）〕が
【数１】 として変化するであろうことが予測される。チョーク流
れの条件下で、ρＶ≒一定、またＲＭＳ加速度（又は圧
力）が図２２に示されるような研究所試験で観察される
もの（ＡＧＦＰ−ＲＭＳ加速度≒Ｖ2.3 ）とほぼ一致し
て、Ｖ2.5 のようなガス速度に依存するようになる。
【００３８】簡単な音響的思考は、ＲＯを横切る圧力降
下の増加に対してＡＧＦＰの強さが急速に増加すること
を明らかにすることができる。もちろんオイル流がノズ
ルに対して減少された時は、ノズルを横切る圧力降下は
減少しまたこれがＲＯを横切る圧力降下を増大させる。
ＡＧＦＰの主要な特徴、すなわちオイル流との逆比例関
係は理解することができるが、もちろんＡＧＦＰの動力
学的領域、又はこれがガス流最大値に対応する周波数帯
域におけるＲＯで発生された振動パワーに優越する事実
については、そうでない。
【００３９】ガス流最大値の周波数（≒ＦＧ）はまた初
歩的な計算によって明らかにされる。１つの候補はＲＯ
自身による渦発散の周波数である。初歩的音響学から、
速度ＦＶの流れにおける大きさ“Ｌ”の目的物による渦
発散により、ガス最大値ＦG の周波数は ＦG ≒（Ｖ／２Ｃ） によって与えられる。〔流体の初歩的メカニズム、Ｈｕ
ｎｔｅｒ Ｒｏｕｓｅ（Ｄｏｖｅｒ ＮｅｗＹｏｒｋ，
１９７８）第２４１頁〕Ｖに代えて、スチームの音の速
度（５００ｍ／ｓ）、Ｌとして、ＲＯの開口（０．
２″）、図１３に示される蒸気最大値の領域よりほんの
僅か上の、 ＦG ≒２０，０００Hz
【００４０】ガス最大値の周波数帯域のためのもう１つ
の物理的機構はＲＯから接続する典型的な配管内部のガ
スに励起された振動モードである。これらの環境のもと
で、初歩的計算は ＦG ≒（Ｃs ／２Ｄ） を示唆し、ここでＣS はスチーム中の音の速度、Ｄはパ
イプの直径である。Ｄは１−２″、Ｃs ＝５００ｍ／
ｓ、Ｆs Ｆm ５０００〜１０，０００Hzすなわち蒸気最
大値の観察された周波数領域の２つの因子の範囲内であ
る。
【００４１】加速度計又は動圧変換器からの振動信号は
石油処理工程で知られた極端な条件のもとでの液体流の
感度の良いかつ丈夫な監視者である。流れへの振動信号
の較正は任意の数の方法で行うことができる。
【００４２】別々の液体流測定がなされた場合、ＡＧＰ
と液体流量との間の相互関係が得られることは明らかで
ある。ＡＧＦＰの次の測定はしたがって監視装置に用い
ることができ、個々のノズルからのオイル流を測定しま
た精製又は流れの分布に対する石油化学的処理を最適に
することができる。遮断され又は部分的に遮断された供
給ノズルが確認され正しい作用が行われるようにするこ
とができる。
【００４３】１つのプラント環境において、ＧＦＰは、
オイル締切弁１２（図３）を完全閉鎖から完全開放への
段階で切換え切換わったパワースペクトルにおける最大
値を識別することにより、確認することができる。ＡＧ
ＦＰと液体流との間の相関係数は、特定ノズルの締切弁
が切換えられた時のマニホルドへのオイル流の変化を測
定しマニホルド内の圧力が一定に保たれるのを保証する
ことにより、決定することができる。これらの情況のも
とで、他のノズルの流出は変らずまたマニホルドの流れ
のいかなる変化も当該ノズルへの流れの変化に等しい。
これは図１６から図１９を得るのに用いられたことを教
えている。
【００４４】マニホルドへのオイル流が一定に保持され
ている条件もとでの本発明の方法を較正する他の手段が
ある。これらの情況のもとで、締切弁の変化したノズル
ではないノズルへのオイル流の変化は圧力の変化にほぼ
比例する。単一のノズルに対する相対的な流れの変化は
この方法で直接決定することができる。しかし、オイル
流の絶対的な変化は、マニホルドへの流れの変化が、前
記したように測定された場合、又は当該ノズルへの流れ
が直接測定された場合に決定できるにすぎない。
【００４５】オイルとスチームとの混合物を接触分解ユ
ニットの中に噴射する単一のノズルへのオイルの流れは
このノズルの締切弁の状態の変化によって変えられた。
この１つのノズルへのオイルの流れはこれらの条件のも
とで、マニホルド内の圧力が一定に保たれるのを保証し
またマニホルドへのオイル流の変化を測定することによ
って、測定された。図１７に示されるように、ＲＭＳ加
速度、ＡＧＦＰは、ＲＯを保持するフランジの縁と接触
する加速度計から得られる０〜１５，０００Hz帯域に関
して、当該ノズルを通るオイル流の一次関数である。図
１８に示されるように、振動信号がノズルのロッド通し
プラグと接触した加速度計から得られた時に感度が若干
落ちることが示されている。両方の場合、この帯域にお
ける加速度はオイル流れが増大するにしたがって落ち
る。同様な情況のもとでのオイル流の関数として振動信
号の模擬実験された研究室の測定が図２４に示され、そ
して音場条件のもとでなされた観測と卓越した一致が見
られる（図２５）。当該特定ノズルを通るオイル流の絶
対値の変化は、全帯域について加速度計のＲＭＳ加速度
の変化を測定することにより、便利にかつ突出部なしで
行われることになる。
【００４６】一定のマニホルド流れの技術の一例が図１
４及び１５に示されている。加速度計が図１６，１７又
は図１８，１９において試験されたのとは異なる一組の
ノズルにおいてＲＯを保持するフランジの面上に取付ら
れた。この場合マニホルドへのオイル流は一定に保たれ
マニホルドへの圧力は締切弁が閉じられるにしたがって
変化された。図１５はＡＧＦＰのＲＭＳ加速度の変化を
２つの帯域幅、すなわち図１４に示される多数の最大値
を含む０〜１２．８ KHzとパワースペクトルにおける主
要の最大値を含む５〜６ KHzとの帯域について正規化さ
れた流れの関数として示している。ＡＧＦＰは流れに関
する直線状の変化を表わしている。この例においては、
わかるように、絶対の流れに対する正規化の変換をする
よう別の較正がなされなければならない。
【００４７】図２６は０〜４０００Hzに関し、０％と１
００％との２つの条件のもとで供給ノズルのロッド通し
プラグに挿入された動圧変換器の出力のパワースペクト
ル密度の曲線を示している。１００％流れについて５０
０Hzと１４００Hzとの間の動圧信号に大きな減少が存在
する。１００％流れの０〜４０００Hzの領域に関するＲ
ＭＳ圧力は０％流れにおけるその値の７０％である。図
２７はより広い周波数領域に関する同じ動圧データのパ
ワースペクトル密度を示し、これもまた０％と１００％
の流れについてＲＭＳの間に大きな相違がある。オイル
流に対する圧力信号の較正が２つの前記した実施例にお
けるように達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】供給ノズルの配置を示す流動接触分解ユニット
（ＦＣＣユニット）における供給噴射領域の概略図であ
る。
【図２】オイル遮断弁（７）を有する個々の供給ノズル
にオイルを供給するオイルマニホルドを示す図である。
【図３】スチームの流れが制限オリフィス（ＲＯ）（１
０）を通って決定されまたオイルの流れが遮断弁（１
２）によって決定される個々の供給ノズルへの流れの接
続を示す図である。
【図４】制限オリフィス（ＲＯ）の下流側のガスと音響
的接触される圧力変換器とＲＯを通る流れにより発せら
れる固体伝播音に対し感度が良いように取付けられる加
速度計とにとって適当な配置を示す図である。この加速
度計はＲＯが保持されるフランジ（２５）の面もしくは
縁に、又はロッド通しプラグ（２６）もしくはノズルフ
ランジ（２７）のような供給ノズル上の任意の便利な箇
所に設けられる。
【図５】加速度（圧力）パワースペクトル又はＲＭＳパ
ワースペクトルに対して加速度を変化させるろ波されな
い及びろ波される時間の移行を示す図で、振動センサと
して加速度センサが採用され、動圧センサでもよく、時
間の関数として典型的な加速度信号を示す図である。
【図６】図５の加速度信号の２乗を示す図である。
【図７】図５に示す信号の加速度パワースペクトルを示
す図であり、加速度パワースペクトルは周波数の関数と
して加速度パワースペクトル密度を表わし、図５に示さ
れる加速度信号に含まれる周波数全体の加速度パワース
ペクトル密度の積分が図６に示す加速度信号の２乗の時
間平均に等しくなっている。
【図８】図７に示す加速度パワースペクトル密度の平方
根に比例するＲＭＳ加速度スペクトルを示す図である。
【図９】時間の関数として他の典型的な加速度信号を示
す図である。
【図１０】図９に示す信号の加速度パワースペクトルを
示す図である。この加速度パワースペクトルは周波数の
関数として加速度パワースペクトル密度を表わしてい
る。図１０で表わされている周波数Ｆ1 とＦ2 との間の
加速度パワースペクトル密度の積分は表示された最大値
の面積として定義される。これはＦ1 とＦ2 の間の周波
数の帯域にとって加速度時間信号の平均２乗パワーに等
しい。
【図１１】通過帯域Ｆ1 ＜Ｆ＜Ｆ2 以内で周波数Ｆのた
めに信号を再び発生し前記通過帯域以外で前記信号を極
度に弱めるろ波装置を通過した、図１０の加速度信号を
示す図である。
【図１２】図１１に示すろ波された信号の加速度パワー
スペクトルを示す図である。この加速度パワースペクト
ルは周波数の関数として加速度パワースペクトル密度を
表わしている。図１１に示す加速度信号に包含される周
波数全体の加速度パワースペクトル密度の積分は図１１
に示す加速度信号の２乗の時間平均に等しくなってい
る。
【図１３】オイル及びスチームをＦＣＣユニットの供給
上昇管の中に噴射する供給ノズルのロッド通しプラグ
（図４）に取付けられた加速度計からのＲＭＳ加速度ス
ペクトルを示す図である。オイルの流れの増大に伴って
増大する“液体流れ最大値（ＬＦＰ）”（０〜４０００
Hz）とオイルの流れの増大に伴って減少する“ガス流れ
最大値 （ＧＦＰ）”（４，０００〜１２，８００Hz）
とを包含するこのノズルに対するスペクトルの領域がほ
ぼ表示されている。これら最大値とこれら最大値の見出
されるＲＭＳ加速度スペクトルの領域の精密な同定は音
場較正に基づいている。
【図１４】接触分解供給ノズルからの一続きのＲＭＳ加
速度スペクトル（０〜１２．８ KHz）を示す図である。
この振動データは図４の位置（２５）で制限オリフィス
（ＲＯ）を保持するフランジの面上の加速度計から取ら
れた。この図で、ガスの流れ（スチーム）最大値はパワ
ースペクトルを支配する。オイル流れの増加に伴うガス
／スチーム最大値の減少は明らかである。
【図１５】帯域０〜１２．８ KHzとこのノズルに対する
オイル流れの関数としてのこの支配するガスの“流れ”
最大値（５〜６ KHz）の帯域とに関し、面積パワースペ
クトル密度から取られたＲＭＳ加速度（ＡＧＦＰ）を示
す図である。
【図１６】接触分解供給ノズルからの帯域４〜１２ KHz
に関する一続きのＲＭＳ加速度スペクトルを示す図であ
る。この振動データは制限オリフィス（ＲＯ）（図４の
位置２５における）を保持するフランジの面上の加速度
計から取られた。この図で、ガス（スチーム）最大値は
パワースペクトルを支配する。オイル流れの増加につれ
てガス（スチーム）最大値が減少するのは明らかであ
る。
【図１７】このノズルに対するオイル流れの完全なパワ
ースペクトル関数の帯域０〜１５KHz（ＡＧＦＰ）に関
して取られたＲＭＳ加速度を示す図である。
【図１８】質量又は液体流れに対して良好な感度を持っ
てセンサ位置を表示するノズルＳ−１６のための、ロッ
ド通しプラグ（図４の位置２６）又はスチームＲＯ（図
４の位置２５）の縁の上に置かれた加速度計から取られ
た帯域０〜２５．６ KHzに関するＲＭＳ加速度を示す図
である。
【図１９】質量又は液体流れに対して比較的良好な感度
を持ってセンサ位置を表示する他の供給ノズルのため
の、帯域０〜１５ KHzに関する図４のＲＯ位置（２５）
の縁からの振動信号（ＲＭＳ加速度）を示す図である。
【図２０】決められた研究室の実験のようにＲＯを横切
る圧力降下の関数として“チョーク流れ”条件のもとに
制限オリフィス（ＲＯ）を通る、分当りの標準立方フィ
ートの測定されたガス容積（質量）流れを示す図であ
る。この圧力はパスカルの１０００の単位（ KPA) で測
定される。
【図２１】図２０の条件のもとでＲＯを通る測定された
ガス容積（質量）流れ（ＣＦＭ）の関数として帯域１３
〜１７ KHzに関するＲＯ上の加速度計のパワースペクト
ルから取られたＲＭＳ加速度を示す図である。
【図２２】秒当りのメートル（Ｍ／Ｓ）のＲＯの下流側
のガス速度の関数として帯域１３〜１７ KHzに関するＲ
Ｏ上の加速度計のパワースペクトルから取られたＲＭＳ
加速度を示す図である。
【図２３】圧力降下（図２０の条件のもとでＲＯを横切
る）の関数として帯域１３〜１７KHzに関しＲＯ上の加
速度計のパワースペクトルから取られたＲＭＳ加速度を
示す図である。
【図２４】図２０，２１，２２及び２３の研究室の実験
と供給ノズルに対する流れモデルとから得られたオイル
流れの関数としてＲＯと接触する加速度計からの予測標
準化振動信号を示す図である。
【図２５】作動接触分解供給ノズル上で測定されたオイ
ル流れの関数として測定された正規化振動信号を示す図
である。
【図２６】２つの流れ条件すなわち０％流れと１００％
流れのもとで領域０〜４０００Hzに関し、作動二相供給
ノズルのロッド通しプラグにおける動圧変換器からのＲ
ＭＳ圧力スペクトルの対数を示す図である。
【図２７】２つの流れ条件すなわち０％流れと１００％
流れのもとで領域０〜２５，０００Hzに関し、ＲＭＳ圧
力スペクトルが図２６に示されている作動二相供給ノズ
ルのロッド通しプラグにおける動圧変換器からのＲＭＳ
加速度スペクトルの対数を示す図である。
【符号の説明】
１…供給ノズル ２…上昇管 ３…接触流 ４…ヘッダー ５…マニホルド ６…ノズル ７…締切弁 ９…スチーム １０…制限オリフィス（ＲＯ） １１…オイル １２…締切弁 １４…霧化オイル １５…接触流 １６…オイル １７…締切弁 １８…スチーム １９…制限オリフィス（ＲＯ） ２１…ノズル筒 ２２…ノズル先端 ２３…噴霧 ２４…振動センサ ２５…フランジ ２６…ロッド通しプラグ ２７…プラグフランジ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 リチャード エドワーズ ウォルター アメリカ合衆国，ニュージャージー 07853，ロング バレー，ブラック リ バー ロード 157 (72)発明者 リンダ ホフマン アメリカ合衆国，ルイジアナ 70815, バトン ルージュ，ウォーシングトン アベニュ 10900 (72)発明者 ジョージ デューイ コディ アメリカ合衆国，ニュージャージー 08540，プリンストン，バインブリッジ ストリート 30 (72)発明者 ジェラルド ビンセント ストーチ，ジ ュニア アメリカ合衆国，ニュージャージー 08807，ブリッジウォーター，レッド オーク ウェイ 27 (56)参考文献 特開 平１−222110（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−100018（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−58319（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01F 1/66 G01F 1/74

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 二相液体／ガス噴射ノズルの中への液体
    流の質量流量を測定する方法であって、 （ａ）パワースペクトル密度を、ガス流最大値のパワー
    スペクトル密度の面積が前記ノズルを通る液体流に対し
    単調に減少する関係を有する一連のガス流最大値を含ん
    でいる周波数帯域にわたって、前記ノズルの直ぐ近くの
    振動センサからの信号により決定すること （ｂ）前記ガス流最大値の少なくとも１つを含む前記パ
    ワースペクトル密度の面積の大きさを決定すること （ｃ）前記ガス最大値を含む前記パワースペクトルの面
    積の異なる大きさと前記ノズルに関する液体流の質量流
    量との間の所定の相関関係から、前記ノズルを通る液体
    流の質量を決定することとを含んでなる液体流の質量流
    量の測定方法。
  2. 【請求項２】 前記振動センサが、制限オリフィスによ
    って発生した流れノイズの変化に対し感度の良い場所に
    置かれた加速度計である請求項１に記載の測定方法。
  3. 【請求項３】 前記振動センサが、制限オリフィスの下
    流側の流れに接触する場所に位置する圧力変換器である
    請求項１に記載の測定方法。
  4. 【請求項４】 前記パワースペクトル周波数帯域が０〜
    ２５，０００Hzに及んでいる請求項１に記載の測定方
    法。
  5. 【請求項５】 前記段階（ｂ）と（ｃ）で決定される前
    記面積がガス流最大値のみを含んでいる請求項１に記載
    の測定方法。
  6. 【請求項６】 前記段階（ｂ）と（ｃ）で決定される前
    記面積が最高のガス流最大値のみを含んでいる請求項１
    に記載の測定方法。
  7. 【請求項７】 前記センサからの信号の帯域を通過しろ
    過された部分がガス流最大値の面積を直接決定するため
    に用いられている請求項１に記載の測定方法。
  8. 【請求項８】 振動信号の処理が各ノズルに近接して配
    置された可搬ユニットにより行われる請求項１に記載の
    測定方法。
  9. 【請求項９】 全ての決定が面積の平方根を用いて行わ
    れ前記単調に減少する関係がほぼ直線となるようにする
    請求項１に記載の測定方法。
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