JP5485401B2 - 近接場マイクロ波を用いた流体測定 - Google Patents

Description

本発明は、産業プロセス制御モニタリング装置に関する。特に、本発明は、産業プロセス中の多相流又は混相流(flow of multiphase)の測定に関する。

産業プロセスは種々の流体または組成の製造および精製に使用されている。具体例としては、オイルの精製または分配、紙パルプの設備、または同様の他のものを含む。多くの場合、プロセス流体の流速を測定することが望まれる。流速を測定するために、オリフィス板の前後の差圧、渦感知技術、磁気を用いる技術あるいは同様の他の技術を含む種々の技術が用いられている。

しかしながら、多相プロセス流体（均質でなく、気体、液体または固体のような１より多くの複数異種材料を含むプロセス流体）の流体の測定は、多くの問題を有している。多相プロセス流体の流速を測定する技術を提供することが引き続き必要とされている。

プロセス流体の流速と組成を測定するための流体メータは、マイクロ波信号を生成するように構成されたマイクロ波源を含む。プローブチップは、マイクロ波源に結合され、前記プロセス流体近くの近接場（near field)に配置されている。プローブチップは、マイクロ波信号をプロセス流体に印加するように構成されている。プローブチップに結合されたマイクロ波検出器は、印加されたマイクロ波信号に応答してプロセス流体からの近接場マイクロ波信号を検出するように構成されている。流体計算回路は、検出されたマイクロ波信号の関数として、プロセス流体の流速及び／又は組成を測定する。

本発明によれば、多相プロセス流体の流速および組成の少なくとも一方を、精度よく測定することができる。

多相プロセス流体の流速と組成を測定するための流体測定装置を含む、産業プロセスを制御またはモニタするためのシステムの概略図である。 図１の流体装置の構成要素を示す概略図である。 多相プロセス流体の流速と組成を測定するのに使用するためのステップを示すフローチャートである。

多くの産業プロセスが多相プロセス流体で動作している。背景技術の所で説明したように、多相プロセス流体の流速を正確に測定することは困難である。多相プロセス流体を用いるプロセスの一例は、オイルの産出である。特に、進歩した回収（リカバリ）技術を用いるオイルの産出が多相流体を利用している。現在存在している井戸からの産出を増強するという現在の強い要求とそれに対する困難さによって、わずかの産出容量しかない井戸からオイルを回収する手段として、水または蒸気を注入する技術が導き出された。

そのような井戸からのオイルの産出は、水、オイル、天然ガスおよび砂の多相混合を伴うという特徴がある。そのような井戸の流速をモニタするために、通常、大きな図体で高価な設備である機械的分離システムに結合して使用される、ガンマ線、ＩＲ（赤外線）、マイクロ波および超音波を用いた多くの多相流測定技術がある。

放射能源は、それらの取り扱いの不便さのためにあまり魅力的ではない。さらに、寿命を終えた廃棄物は、潜在的な危険を生ずる。光学／ＩＲ法は、汚れた環境のために、光学部分の感度が落ちる可能性がある。超音波センサは、魅力的な解像度特性を有しているが、同様に、砂や汚れた環境のために、高い損失または大きな電力を必要とする可能性がある。上記の各方法はそれぞれのメリットを有しているが、マイクロ波は、多相流の特性をモニタするのにより効果的に用いることができる。

従来から、マイクロ波を用いる誘電率測定法により多相流の特性を求める研究がなされている。この方法の基礎は、通常、次の"インバース（inverse)"問題、すなわち、成分の（複合）誘電率ε_{１，２，３}および混合物の形状特性が既知の場合に、体積率が混合物の誘電率ε_ｍｉｘの測定からいかに計算できるかとして取り扱われる。後者は、マルチポート測定、または共振モードの周波数偏倚又は線質係数のいずれかから導出される。（例えば、http://www.agarcorp.com/, EP0495849B1 およびWO20071097772A2参照）

しかしながら、このアプローチは多くの問題に直面している。１つの問題は、成分（例えば、水）の誘電率がマイクロ波によって分散すること、温度に対して補償する必要があること、表１に示されているように、周波数が１ギガヘルツを越えるとき、重大な損失に導くところの、溶解されることのできるイオン性物質（塩、酸など）の差異を、小さくする必要があることである。

形状特性は、より大きな問題を有してさえいる。形状の違いに対する多くの理論的論文がある（例えば、クラウス クッファの「電磁気的水測定法」スプリンガー，２００５；Ｊ．Ｂ．ハステッドの「水性誘電体」チャンプマン アンド ホール、１９７３；およびアリシーボラの「電磁気的混合法則および応用」ＩＥＥＥ，１９９９参照）。これは、そのようなシステムの測定精度の限界を示している。

あいまいな容積測定に適合する多パラメータを見つける試みに代えて、本発明は、局所の統計的測定を用いて、流体の特徴を検査することを含んでいる。近接フィールドマイクロ波顕微鏡検査法は、表面面積をスキャンする伝送線（ＴＬ）チップの外側延長部に匹敵する解像度で、誘電体材料の構造を測定するのに用いられることができる。流体に適用又は印加するために、そのような装置は、多相流における最小特徴サイズに典型的な長さ、例えば２〜３ｍｍをカバーするために、微小プローブチップを用いて達成されることができる。流体自体が動き、その結果として流体がプローブの側を動く時に混合物の「スキャンニング」がなされるので、機械的なスキャンニングは必ずしも必要ではない。さらに、反射されたマイクロ波信号の変調特性は測定手段として用いられることができ、流体の局部の構成要素の弁別器、すなわちある液滴の通路は、液滴のサイズに典型的なフィールドの変調を誘起するであろう。電流のショットノイズは移送される電荷の典型的なサイズを決定するのに使用されることができるので、この変調の特徴的な性質及び統計的データ（周波数、位相の大きさ）を分析することにより、内蔵された特徴の濃度と種類が概略同じ方法で測定されることができる。このようにして、局部の点における動的変化の統計的データは、容積測定情報を評価するのに用いられることができる。本発明では、統計的なサンプリング技術が、局部の測定データを基に推定することにより流速を測定するのに用いられ、それにより流体の全体積の流速と組成が推断される。

図１は、プロセスパイプ１４に結合された流量計またはプロセス装置を含む産業プロセス１０の簡単な説明図である。プロセスパイプ１４は、該パイプを通って矢示された方向に流れるプロセス流体１６を運ぶ。流量計１２は、いかなる構成またはデザインのものであっても良く、プロセスパイプ１４を通って流れる、多相流体のような、流体１６の流れを測定するように構成されている。図１の例では、流量計１２は、プロセス制御ループ２２によって遠隔制御室２０に結合されるものとして図示されている。プロセス制御ループ２２は、ＨＡＲＴ（登録商標）通信プロトコルに基づく２線制御ループ、４−２０ｍＡプロセス制御ループ、フィールドバス基底プロトコル、無線通信プロトコルまたは他のもののような、いかなる構成のものでもよい。流量計１２は、近接場又は近接フィールド（near field)でプロセス流体と相互作用するように配置された近接場マイクロ波プローブ３０を含んでいる。ここで説明されているように、近接場マイクロ波測定装置は、プロセスパイプ１４を通るプロセス流体１６の流速を測定するのに用いられる。

図２は、一例の構成を示す流量測定装置１２および簡単化されたブロック図である。図２において、流量測定装置１２は、方向性結合器１０２に提供するマイクロ波信号を発生するように構成されたマイクロ波源１００を含む。同軸ケーブル１０４は、プロセス流体１６中に浸されているマイクロ波プローブチップ３０に結合している。プローブ３０は、マイクロ波源１００によって発生されるマイクロ波の周波数に関して、近接場中のプロセス流体１６を介して近接場中のプロセス流体１６と相互作用する。該近接場は、マイクロ波の波長より小さい距離の範囲内で発生する計測又は測定であると定義されることができる。

マイクロ波のプロセス流体１６との近接場相互作用により、マイクロ波反射信号がプローブ３０および同軸ケーブル１０４を通って方向性結合器１０２にもたらされる。この反射信号は、流体１６のような多相プロセス流体中の要素（components）のサイズ、形状、堅さ、透過性、面積、体積、および他の特徴に関係している。「反射信号」は、プローブ３０によって運ばれる電気信号であってもよいし、または適切な装置で測定されるプローブ３０の電気的特性であってもよい。方向性結合器１０２は、反射信号をフィードバック回路１０６へ提供する。フィードバック回路１０６は、既知の技術に従ってマイクロ波源１００を制御するのに用いられる。フィードバック回路１０６からの出力１０８は、アナログ・デジタル変換器１１０に提供される。該出力１０８は、例えば、プロセス流体１６からの近接場の反射に関連する電圧信号を含むことができる。マイクロプロセッサ１１２または他のプロセス装置は、アナログ・デジタル変換器１１０からの出力を分析するように構成されている。マイクロプロセッサ１１２は、メモリ１１４中に蓄積された命令に従って作動する。メモリ１１４は、また、他のデータまたはサイズ、形状等のコンフィギュレーションデータ（configuration data)を含む情報の、一時的な蓄積あるいは永久的な蓄積に用いられることができる。

マイクロプロセッサ１１２は、アナログ・デジタル変換器１１０からの出力に対して統計的な分析を行う。例えば、前記信号中のピークの周波数、前記出力信号中のピークの幅、前記信号中のピークの期間または他の変化量が、モニタされ統計的に分析されることができる。統計は、平均、中央値、分散および空間的相関係数および時間的相関係数などを含む。このデータは、プロセス流体１６の流速と関連付けられることができる。

図３は、本発明に従うステップを示す簡単化されたフローチャートである。これらのステップは、例えば上述した装置１２により行われる。フローチャート１５０は、スタートブロック１５２から始まる。ブロック１５４では、近接場の流体データが、例えば図２に示される回路を用いて取得される。ブロック１５６では、統計パラメータが近接場の流体データから計算される。この統計パラメータは、それからブロック１５８で流速と関連付けられる。非常に単純な一例として、時間的に一周期に渡るデータのピーク値の平均値と同等の統計パラメータが用いられることができ、プロセス流体１６の流速に関連付けられることができる。この関連付け（相関）は、実験的に求められることができ、多項式曲線のような既知の技術を用いて実行されることができる。上記では、一個のみの統計パラメータが説明されたが、複数の統計パラメータが流速の測定のために用いられることができる。統計パラメータと流速との間の相関は、モデリング又は他の数学的技術を用いて求められることができる、または、特定なタイプのプロセス流体に対してテストを行うことにより実験的に求められることができる。流速の統計的パラメータ間の関係は、多相プロセス流体の組成に依存して変化することには注意を要する。制御は、スタートブロック１５２にリターンし、該測定処理が繰り返される。

近接場プローブの一つの利点は、多相流の特性にあった解析をすることができる、すなわち所定の時間における実際の組成を解析することができることである。いくつかの流体に対しては、これは、現在のマイクロ波多相流センサで用いられているような、伝搬モードを用いるセンチメータすなわち大きい波長では達成されることができない。現在用いられている伝搬／共振モードは、典型的には、ある形状のパイプ壁及び／又は金属パイプ壁を必要とするが、近接場プローブは、プローブの外側延長部に相当する面積内での電磁波応答のみに依存する。このプローブは、パイプの全周を含む形状にされることができ、または数個のセンサが、より正確な測定値を得るために用いられることができる。局所の近接場は、産業センサに適用できる電力制限で伝搬する伝搬場（フィールド）力よりも十分に大きく作られることができる。数個の近接場センサは、測定点での流体の付加情報を与える流体特性（例えば、分極場の関数としての伝送／反射場のドプラー）を特徴付けるのにさらに用いられることのできる、典型的なリラクゼーション効果（relaxation effects)を測定するのに用いられることができる。この考えは、測定可能な分極率を有する自然の気体相（メタン）の分極率を基に築かれている。強力なパルス電場は、それゆえ、電気的なダイポールモーメント(electric dipole moment)を誘起し、それから、減衰し、異方性パターンであってあるドプラーシフト(Doppler shift)を有するマイクロ波プローブ場、すなわち小さな移動マイクロ波アンテナのようなマイクロ波プローブ場に応答／反射する。電気感受率及び磁化率は、分子間相互作用が外部の電磁場効果を支配する液体相では、通常減衰する。

本発明は、好ましい実施形態を参照して説明されたが、当業者は、本発明の精神及び範囲から逸脱することなしに形態及び細部を変形することができることは明らかである。上記の説明において、マイクロ波検出器は反射された近接場信号を測定するのに用いられている。図２の例では、この検出器は、方向性結合器１０２，フィードバック回路１０６，アナログ・デジタル変換器１１０によって構成されている。しかしながら、本発明は、このタイプの近接場マイクロ波検出器に限定されず、他の回路や構成を用いることができる。この実施形態は、単に例示する目的で提供されたに過ぎない。図２の例では、マイクロプロセッサが流速を測定するための流速計算回路として用いられることができる。ここで説明されたマイクロ波は、約０．３ＧＨｚから約３ＧＨｚの間の周波数範囲であることができる。ただ１個のプローブのみが示されているが、本発明は複数のプローブ又は他の技術によって実施されることができる。

１２・・・流量測定装置、１６・・・プロセス流体、３０・・・マイクロ波プローブチップ、１００・・・マイクロ波源、１０２・・・方向性結合器、１０４・・・同軸ケーブル、１０６・・・フィードバック回路、１１０・・・アナログ／デジタル変換器、１１２・・・マイクロプロセッサ、１１４・・・メモリ、１１６・・・出力。

Claims (15)

1. プロセス流体の流速を測定するための流体メータであって、
   マイクロ波信号を発生するように構成されたマイクロ波源と、
   該マイクロ波源に接続され、プロセス流体に近接した近接場中にあり、該プロセス流体にマイクロ波信号を印加するように構成された微小プローブチップと、
   前記印加されたマイクロ波信号に応答して前記プロセス流体から反射した近接場マイクロ波信号を検出するように構成された前記微小プローブチップに結合されたマイクロ波検出器と、
   前記検出されたマイクロ波信号の関数として、前記プロセス流体の流速および組成の少なくとも一方を測定するように構成された流体計算回路とを具備し、
   前記流体計算回路が、前記反射された近接場マイクロ波信号の統計的パラメータを決定することを特徴とする流体メータ。
2. 請求項１に記載の流体メータが、前記微小プローブチップに結合された方向性結合器を含むことを特徴とする流体メータ。
3. 請求項１に記載の流体メータが、前記反射されたマイクロ波信号に基づく出力を提供するように構成されていることを特徴とする流体メータ。
4. 請求項３に記載の流体メータが、前記反射されたマイクロ波信号に関連するフィードバック回路からの出力に基づいて、デジタル出力を提供するように構成されたアナログ・デジタル変換器を含むことを特徴とする流体メータ。
5. 請求項１に記載の流体メータにおいて、
   前記流体計算回路がマイクロプロセッサからなることを特徴とする流体メータ。
6. 請求項１に記載の流体メータにおいて、
   前記統計的パラメータは、平均値からなることを特徴とする流体メータ。
7. 請求項１に記載の流体メータが、前記マイクロ波源を前記微小プローブチップに結合する同軸ケーブルを含むことを特徴とする流体メータ。
8. 請求項１に記載の流体メータにおいて、
   前記プロセス流体が多相プロセス流体からなることを特徴とする流体メータ。
9. プロセス流体の流速を測定する方法であって、
   マイクロ波源からマイクロ波信号を発生させることと、
   前記プロセス流体の近くの近接場にある微小プローブチップで、マイクロ波信号を前記プロセス流体に印加することと、
   前記印加されたマイクロ波信号に応答して生成される反射近接場マイクロ波信号を前記微小プローブチップから検出することと、
   前記検出されたマイクロ波信号の関数として、前記プロセス流体の流速を測定することとからなり、
   流速を測定することが、前記反射された近接場マイクロ波信号の統計的パラメータを決定することを含むことを特徴とする方法。
10. 請求項９に記載の方法が、前記微小プローブチップに結合された方向性結合器を提供することを特徴とする方法。
11. 請求項９に記載の方法が、前記反射されたマイクロ波信号に基づく出力を提供するように構成されたフィードバック回路を提供することを特徴とする方法。
12. 請求項１１に記載の方法が、前記反射されたマイクロ波信号に関する前記フィードバック回路からの出力をデジタル信号に変換することを含むことを特徴とする方法。
13. 請求項９に記載の方法において、
    前記統計的パラメータが平均値からなることを特徴とする方法。
14. 請求項９に記載の方法が、前記マイクロ波源を前記微小プローブチップに結合する同軸ケーブルを提供することを含むことを特徴とする方法。
15. 請求項９に記載の方法において、
    前記プロセス流体が多相プロセス流体からなることを特徴とする方法。