JP5355724B2 - 測定管路内を流れる2相以上の媒体の壁流を観測し、及び/または測定する方法ならびに渦流測定装置 - Google Patents
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Description
したがって、記録された、以下渦周波数と呼ぶ渦発生周波数から、及び特定種類の渦流測定装置に特徴的なキャリブレーション係数から、流速が決定される。
以下では、簡略化のために、測定管路内を流れる2相以上の媒体の第一相及び第二相であって、前記第一相及び第二相が最大質量流量フラクションを有する2つの主な相を示すものについて議論する。その他の相は、1つの相または2つの相に、特に固体粒子として含めることもできる。
この場合において、流れる2相以上の媒体の第一相及び第二相は、例えば蒸気内の凝縮水の状態のように、そのままで同一物質の異なる凝集状態たり得るし、または、例えば液体に巻き込まれた砂等のように、2つの異なる物質たり得る。第一相及び第二相は、特に各々が流体(液体、気体)である。この場合において、同様に、壁流は、単相だけではなく、特に2つの異なる物質から形成されることもできる。
以下に説明するさらなる発展の諸形態における変形については、たとえその都度(「少なくとも第二相」という記載によって)明示されなくとも、各場合について記載されたものとする。本発明は、特に2つの相の混合物であって、前記2つの相が混合(または少ししか混合)せず、2つの相の間の密度差が非常に大きく、測定管路内を通って流れる場合に、特に水平にまたは傾斜して延伸する測定管路の場合の下部の管壁部分に沿って流れる場合に、第二相が少なくとも部分的に壁流として流れる場合に適用可能である。本発明は、特に、第二相が底部を流れる液体であり、かつ第一相が気体であるような組み合わせに関する。
(a)少なくとも渦流センサ近傍の流体中にブラフボディを用いてカルマン渦を生成するステップであって、渦が、ブラフボディによって流体の瞬間流速に依存して渦生成周波数(渦周波数)で発生するステップ、
(b)流体の第二相の少なくとも一部を渦流センサ近傍の壁に沿って流すステップ、
(c)流体中のカルマン渦が引き起こす定期的圧力変動を、圧力変動に応答するセンサ信号を生成するための渦流センサを用いて記録するステップ、
(d)周波数バンド、特に狭い周波数バンドであって渦生成周波数を含み、特に瞬間渦生成周波数の50%未満の相対的バンド幅を有する周波数バンドを有するセンサ信号であって、瞬間渦生成周波数が周波数バンドの中心周波数に対応するセンサ信号から所望の信号成分を選択するステップ、及び
(e)センサ信号から選択された所望の信号成分を利用して、特に所望の信号成分の振幅特性曲線の標準偏差に基づいて、及び/または所望の信号成分の尖度に基づいて流体の第二相を検出するステップ。
加えて、高感度部分は、流れる2以上の相媒体の第一相の流れとの相互作用も生じ得るようにするために、測定管の内空間方向へ延伸する。このような場合に、特に、高感度部分がブラフボディに平行に延伸し、流れ方向に対して、ブラフボディと並んで配置されるようにされる。
この場合、圧力変動から分断された部分は、通常、外的撹乱要因による動きに影響されることなく、位置決めされた状態で配置される。したがって、上記説明した方法中1つの方法において、揺動部分と分断された部分の間の距離変化が記録され、電気測定信号へと変換されることができる。
したがって、狭いバンドでフィルタリングされた分析信号sa(t)の|As(t)|、すなわち振幅大きさの変動を経時的に測定することにより、第二相の壁流が容易に検出され、測定されることができる。振幅大きさの変動|As(t)|は、例えば、渦流測定装置において、特に、これに対応した実施形態の電子機器によって自動的に評価され、観測されることができる。「電子機器」に関しては、本願においては、信号、特に電気信号がアナログ方式で処理される電子回路、ならびに、電気信号がデジタル方式で処理されてデジタル方式で作動する回路またはプロセッサが参照される。これらの2つの形態は、特に、組み合わせて実施することもできる。
加えて、分析信号sa(t)のフィルタリングされた実数部分、略してre{sa(t)}の尖度は、s(t)に対応するものであるが、これもまた、第二相の質量/体積分率の測定方法として考慮されることができる。これは、re{sa(t)}の尖度が大きければ大きいほど、尖度が1.5である純粋な正弦波振動が大きくなるからである。
N個の値にわたって測定された振幅大きさの相加平均である。
合計して、N個の値が計算にて考慮されるが、式中s(ti)は狭いバンドでフィルタリングされた測定時ti時点での測定信号の値であり、
狭いバンドでフィルタリングされた測定信号のN個の値の相加平均である。
さらなる有利な発展形態において、この相関関係は、特に当てはめ関数の形態で渦流測定装置内に記憶される。
測定管路内を流れる媒体の第二相の存在及び/または質量流量分率/体積流量分率に関する情報を得るために、方程式(5)及び/または方程式(6)による統計学的評価のために考慮される瞬時位相及び即時振幅情報を得るために、好ましい実施形態が純粋なアナログ電気回路または純粋なデジタル電気回路もしくは一部がアナログ形式で一部がデジタル形式の電気回路において実施可能である。
このようなレファレンス信号が備わっていることにより、第一渦流センサの電気測定信号(またはそこから派生する、例えば標準偏差や尖度などの変数)は、レファレンス信号(または、そこから派生する、所定の場合における例えば標準偏差や尖度などの変数)と容易に比較されることができる。このさらなる発展形態において、比較を行うことで、(重力にしたがって)測定管の下半分を流れ、第一渦流センサの高感度部分と相互に作用する第二相の壁流が、従前行われていたキャリブレーションなくして検出されることができる。所定の場合においては、その後に渦流測定装置を介して警告の出力ができる。
a)測定管内の流路へ突出した渦流測定装置のコンポーネント上の第二相または第三相の粒子及び/または液滴の衝突、特にブラフボディ上の衝突によって生成された音響信号を記録するステップであって前記記録がコンポーネントと一体として形成されるか、またはコンポーネントに音響的に接続される音響変換器を介して起きるステップと、
b)音響変換器を介して記録された音響信号を音響変換器によって電気信号へ変換するステップ。
計算に考慮される場合には、RMS値は以下の方程式に基づいて得られ得る。
個別の衝突粒子または液滴の運動エネルギーEKINと電圧変換率C1を介して相関関係を有するようにして、キャリブレーションを介して選択され、測定されることができる。この関係性は以下の方程式(10)にて示されるが、式中mpは個別の粒子または液滴の質量であり、vはその速度である。
電圧変換率C1、及び速度vから決定されることができる。粒子速度vは、第一相の速度に対応するが、渦周波数から、渦流測定装置によって知られた方法で測定されることができる。この第一変形は、特に粒子流及び/または液滴流中の個別の粒子及び/または液滴の密度が十分に低く、渦流測定装置の関連するコンポーネント上の個別の粒子の異なる衝突が独立して音響的に検出可能な場合に有利である。粒子及び/または液滴の数は、個別の衝突を計算することによって確定される。
個別の衝突粒子及び/または液滴の運動エネルギーPKINと電圧変換率C2を介して相関関係を有するようにして、キャリブレーションを介して選択され、測定されることができる。この関係性は以下の方程式(11)にて示されるが、式中m/tは粒子流及び/または液滴流の質量流量であり(但し、ここで考慮されるのは粒子及び/または液滴の質量のみであって第一相の質量ではない)、vはその速度である。
電圧変換率C2、及び速度vから決定されることができる。粒子の速度vは、渦流測定装置によって測定されることができる。この第二変形は、特に粒子流及び/または液滴流中の個別の粒子及び/または液滴の密度が十分に高く、渦流測定装置の関連するコンポーネント上の個別の粒子の異なる衝突がもはや独立して音響的に検出不能な場合に有利である。粒子及び/または液滴の数は、個別の衝突を計算することによって確定される。
したがって、第二渦流センサ28のパドル30は、第一渦流センサ14のパドル16と反対側に配置されている。この場合において、(第二渦流センサ28の)パドル30は、安静位ではブラフボディ8と平行に配置され、これと並ぶ。パドル30は流れ方向6と垂直な方向及びパドル30の延伸方向と垂直な方向に旋回することができる。
したがって、使用中、発生した圧力変動により、特に形成された渦により、パドル30が前後に揺動する。パドル30の揺動運動は、第一渦流センサ14に関して上記説明されたものと対応する形で電気測定信号へと変換される。この場合に得られる測定信号は、流体の第一相の純粋な流れのレファレンス信号を形成する。
これに対応してN個の値に関して瞬時渦周波数fv(t)の平均値が求められる(ボックス23を比較せよ)。
加えて、リブレット(一般的には第二相の壁流)を超えた値が検出された場合、尖度の差異の制限値が定義されることができる。制限値は、このような場合、それぞれの渦周波数の関数として定義されることができる。
Claims (16)
- 測定管路を流れ、第一相、特に第一密度を有する気体の第一相と、第二相、特に第一密度とは異なる第二密度を有する液体の第二相とを有する、少なくとも、ときに2相の媒体を観測し、及び/または測定する方法であって、
前記方法が、流体に突出したブラフボディ及び渦流センサ、特にブラフボディから下流にまたはブラフボディ内に配置された渦流センサを用いて行われるものであり、以下のステップを含む。
(a)少なくとも渦流センサ近傍の流体中にカルマン渦を生成するステップであって、渦が、ブラフボディによって流体の瞬間流速に依存して渦生成周波数(渦周波数)で発生するステップ、
(b)流体の第二相の少なくとも一部を渦流センサ近傍の壁に沿って流すステップ、
(c)流体中のカルマン渦が引き起こす定期的圧力変動を、圧力変動に応答するセンサ信号を生成するための渦流センサを用いて記録するステップ、
(d)周波数バンド、特に狭い周波数バンドであって前記渦生成周波数を含み、特に瞬間渦生成周波数の50%未満の相対的バンド幅を有する周波数バンドを有するセンサ信号であって、瞬間渦生成周波数が周波数バンドの中心周波数に相当するセンサ信号から所望の信号成分を選択するステップ、及び
(e)前記センサ信号から選択された所望の信号成分を利用して、特に前記所望の信号成分の振幅特性曲線の標準偏差に基づいて、及び/または前記所望の信号成分の尖度に基づいて流体の第二相を検出するステップ。 - 測定管(4)が垂直の角度で配置され、特に水平に配置され、第一渦流センサ(14)の高感度部分(16)が測定管(4)の下半分に配置され、特に測定管(4)の最下面部材に配置されていることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 第一渦流センサ(14)の高感度部分(16)が、生成された圧力変動を介して揺動運動に置換可能な揺動部分(16)によって形成され、かつ、記録するステップにおいて、
前記揺動部分(16)の揺動運動が電気測定信号に変換されることを特徴とする、請求項1または2に記載の方法。 - 記録された測定信号の狭いバンドでフィルタリングされた分析信号の振幅大きさが流体の第一相の純粋な流れに対して経時的に増加する場合において、測定信号が、測定管(4)の壁に沿って流れる流体の第二相の壁流と第一渦流センサ(14)の高感度部分(16)との相互作用に関する特性を有することを特徴とする、請求項1乃至3のいずれかに記載の方法。
- 前記記録された測定信号の狭いバンドでフィルタリングされた分析信号の振幅大きさの標準偏差が流体の第一相の純粋な流れに対して経時的に増加する場合において、前記標準偏差が経時的に記録された振幅大きさの所定数の値を介して形成されるものであり、測定信号が、測定管(4)の壁に沿って流れる流体の第二相の壁流と第一渦流センサ(14)の高感度部分(16)との相互作用に関する特性を有することを特徴とする、請求項1乃至4のいずれかに記載の方法。
- 狭いバンドでフィルタリングされた分析信号の尖度が流体の第一相の純粋な流れに対して経時的に増加する場合において、前記尖度が経時的に記録された測定信号の所定数の値を介して形成されるものであり、測定信号が、測定管(4)の壁に沿って流れる流体の第二相の壁流と第一渦流センサ(14)の高感度部分(16)との相互作用に関する特性を有することを特徴とする、請求項1乃至5のいずれかに記載の方法。
- 測定信号が測定管(4)の壁に沿って流れる流体の第二相の壁流と第一渦流センサ(1)の高感度部分(16)との相互作用に関する特性を有するか否かを評価するために、前記測定信号が最初に渦流測定装置(2;26)によって記録された渦周波数周辺の周波数レンジにフィルタリングされ、フィルタリングされた測定信号が評価のために考慮されるものであって、特に前記周波数レンジが、前記渦周波数を中心周波数として、本質的に渦周波数の50%未満の幅を有していることを特徴とする、請求項1乃至6のいずれかに記載の方法。
- キャリブレーションとの関係で1)所定の第二相の壁流の既知の質量流量、2)流体の第一相の異なる流速用の測定信号から渦流測定装置(2;26)によって決定される渦流周波数、3)上記各場合において測定信号から渦流測定装置(2;26)によって決定される関連する標準偏差または尖度値が互いに相対的な関係を有して配置される相関関係を参照しながら、測定信号からの渦流測定装置(2;26)によって決定された渦周波数と測定信号からの渦流測定装置(2;26)によって決定された標準偏差または尖度とから、所定の第二相の質量流量が決定されることを特徴とする、請求項5〜7のいずれかに記載の方法。
- 流体の第二相の決定された質量流量が媒体の第一相の流速または体積流量を渦流測定装置(2;26)によって渦周波数から決定されるものとして訂正するために考慮されることを特徴とする、請求項8に記載の方法。
- 記録された測定信号が2つの平行なフィルター(34、36)によって、特に渦周波数を中心周波数として渦周波数周辺の狭いレンジへフィルタリングされ、前記フィルターのうち1つのフィルターが同相フィルター(34)を形成し、他のフィルターが直交フィルター(36)を形成して、即時振幅と相を得るために、直交フィルターのフィルター係数が、出力フィルター直交信号が同相信号に対して90度の位相シフトが起きるように選択されることを特徴とする、請求項4〜9のいずれかに記載の方法。
- 圧力変動に応答し水平に配置されるか傾いた測定管(4)の上半分に配置された高感度部分(30)を有するブラフボディ(8)の発生縁(12)から下流に配置される第二渦流センサ(28)を介して圧力変動が記録され、前記圧力変動が電気測定信号へ変換され、前記電気測定信号が流体の第一相の純粋な流れの参照信号として使用されることを特徴とする、請求項1乃至10のいずれかに記載の方法。
- 第二相、特に壁流の検出の場合において、第一渦流センサの参照信号の測定変数と第二渦流センサの測定信号の測定変数とを比較することにより、測定変数の確定した偏差、特に振幅大きさの標準偏差または狭いバンドでフィルタリングされた信号の尖度の場合において、警告レポートが特に渦流測定装置のディスプレイ及び/または渦流測定装置に接続された制御システムに出力、特に警告レポートが異なるエスカレーションステージを示す1以上の閾値によって現れるように出力されることを特徴とする、請求項1乃至11のいずれかに記載の方法。
- 第一渦流センサ(14)が測定管(4)の下部、特に測定管(4)の最下表面部材においてブラフボディ(8)から下流に形成される開口部(18)を通って延伸する揺動パドル(16)を有し、パドル(16)の周囲には、壁流として流れ去る流体の第二相を収容するための凹部(20)が形成されていることを特徴とする、請求項3乃至12のいずれかに記載の方法。
- 媒体の少なくとも第二相または少なくとも第三相の分散した粒子流及び/または液滴流の検出方法が、以下のステップを含むことを特徴とする請求項1乃至13のいずれかに記載の方法。
(f)測定管(4)内の流路へ突出した渦流測定装置(2)のコンポーネント(8)上の第二相または第三相の粒子及び/または液滴の衝突、特にブラフボディ(8)上の衝突によって生成された音響信号を記録するステップであって前記記録がコンポーネント(8)と一体として形成されるか、またはコンポーネント(8)に音響的に接続される音響変換器(31)を介して起きるステップ、及び
(g)音響変換器(31)を介して記録された音響信号を音響変換器(31)によって電気信号へ変換するステップ。 - コンポーネント(8)が渦流測定装置(2)のブラフボディ(8)によって形成され、ブラフボディ(8)が流れ方向(6)に本質的に垂直に向き、流れに面する衝突領域(27)を有することを特徴とする請求項14に記載の方法。
- 測定管路を流れ、第一相、特に第一密度を有する気体の第一相と、第二相、特に第一密度とは異なる第二密度を有する液体の第二相とを有する、少なくとも、ときに2相の媒体を観測し、及び/または測定する渦流測定装置であって、
測定管と、
電子機器と、
流れる媒体内に突出したブラフボディと、
前記ブラフボディから、あるいは、内よりの下流に配置された渦流センサと、
を備え、
前記ブラフボディは、特定の媒体に対しては、流路が、前記ブラフボディの両側に形成され、前記ブラフボディの両側では、少なくとも2つの生成エッジが、使用中に、カルマン渦が発生されるように、取り付けられる形態で、前記測定管に流れの方向に対し横方向に延伸しており、
前記第1の渦センサは、取り付けられた位置に対し、前記生成エッジから下流に配置され、圧力揺らぎに応答する高感度部分を備え、
前記渦流測定装置は、使用中、前記高感度部分に記録される圧力揺らぎが、電気測定信号内に変換されるように取り付けられ、
前記第1の渦センサの前記高感度部分は、前記測定管の壁に少なくとも部分的に隣接し、
使用中の電気測定信号が処理される渦流測定装置の前記電子機器は、周波数バンドの中心周波数に対応する瞬間渦生成周波数を有する渦生成周波数を含む周波数バンドを有する所望の信号成分をセンサ信号から選択し、前記センサ信号から選択された前記所望の信号成分を使って、流れる媒体の前記第二相の存在を検出し、前記電子機器が測定管の壁に沿って流れる2相以上の媒体の第二相の壁流と第一渦流センサの高感度部分との相互作用に関する特性を有する測定信号を記録する場合に、測定管内の2相以上の媒体の第二相の壁流の存在が推定される形態である渦流測定装置。
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