JP5946025B2 - Multiphase flow meter - Google Patents

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Description

本発明は、多相の混相流体の流量を各相別に計測する多相流流量計に関するのである。   The present invention relates to a multi-phase flow meter for measuring the flow rate of a multi-phase mixed fluid in each phase.

多相流流量計は、管路中を水、油、気体などの多相の流体が混相して流れる場合に、これら多相流体の流量を各相別に測定できるように構成されたものであり、従来から各種の装置が提案されている。   A multiphase flow meter is configured to measure the flow rate of these multiphase fluids for each phase when multiphase fluids such as water, oil, and gas flow in the pipeline. Conventionally, various devices have been proposed.

特許文献1には、多相の混相流体が流れる管路の流れ方向に沿って2台の混相密度計を設け、周波数に応じた混相流体の比誘電率に基づき各相の比率を求めるとともに、流体が2点間を流れるのに必要な時間を相関法に基づき各相毎の流量を測定するように構成された多相流流量計が記載されている。   In Patent Document 1, two multi-phase density meters are provided along the flow direction of the pipeline through which the multi-phase multi-phase fluid flows, and the ratio of each phase is obtained based on the relative permittivity of the multi-phase fluid according to the frequency. A multiphase flow meter is described that is configured to measure the flow rate of each phase based on the correlation method with the time required for the fluid to flow between two points.

特許文献2には、多相の混相流体が流れる管路の流れ方向に沿って設けられた電磁流量計および成分比率センサと、これら電磁流量計と成分比率センサの測定信号から測定流体の各混合物の流量を演算する演算回路とを具備した多相流流量計が記載されている。   Patent Document 2 discloses an electromagnetic flow meter and a component ratio sensor provided along a flow direction of a pipeline through which a multiphase mixed phase fluid flows, and each mixture of measurement fluids from measurement signals of the electromagnetic flow meter and the component ratio sensor. A multi-phase flow meter having an arithmetic circuit for calculating the flow rate of the gas is described.

特開平08−271309号公報Japanese Patent Laid-Open No. 08-271309 特開平10−281843号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-281843

しかし、これら従来の多相流流量計は、いずれも複数台の測定器を組み合わせていることから装置全体の構成が複雑になり、比較的コストが高くなるという問題点がある。   However, these conventional multiphase flow meters all have a combination of a plurality of measuring instruments, so that the configuration of the entire apparatus becomes complicated and the cost is relatively high.

本発明は、これらの課題を解決するものであり、その目的は、比較的安価で簡便に液体と気体および個体粒子などの流量をそれぞれ測定できる多相流流量計を実現することにある。   The present invention solves these problems, and an object of the present invention is to realize a multiphase flow meter that can measure the flow rates of liquid, gas, solid particles, and the like at a relatively low cost and easily.

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項1記載の発明は、
垂直配管と水平配管が隣接した管路の前記垂直配管の外壁にこの垂直配管を挟むように設けられ測定信号の送受を行うトランスデューサで構成される第1の流量測定手段と、
前記水平配管の外壁にこの水平配管を挟むように設けられ測定信号の送受を行うトランスデューサで構成される第2の流量測定手段と、
これら第1の流量測定手段の測定信号と第2の流量測定手段の測定信号に基づき流量パラメータを演算する演算制御手段、
とで構成されたことを特徴とする多相流流量計である。
In order to achieve such a problem, the invention according to claim 1 of the present invention is:
A first flow rate measuring means comprising a transducer provided so as to sandwich the vertical pipe between the vertical pipe and the horizontal pipe on the outer wall of the vertical pipe adjacent to the pipe;
A second flow rate measuring means comprising a transducer provided on the outer wall of the horizontal pipe so as to sandwich the horizontal pipe and transmitting and receiving a measurement signal;
Arithmetic control means for calculating a flow parameter based on the measurement signal of the first flow measurement means and the measurement signal of the second flow measurement means;
It is the multiphase flow meter characterized by comprising.

請求項2記載の発明は、請求項1に記載の多相流流量計において、
前記流量パラメータ演算手段は、前記第1の流量測定手段の測定信号と第2の流量測定手段の測定信号の流速を比較して気泡の有無と粒子の有無を判断することを特徴とする。
The invention according to claim 2 is the multiphase flow meter according to claim 1,
The flow rate parameter calculation means compares the flow rate of the measurement signal of the first flow rate measurement means and the measurement signal of the second flow rate measurement means to determine the presence or absence of bubbles and the presence or absence of particles.

請求項3記載の発明は、請求項2に記載の多相流流量計において、
前記流量パラメータ演算手段は、さらに、気泡径と気泡個数を演算することを特徴とする。
The invention according to claim 3 is the multiphase flow meter according to claim 2,
The flow rate parameter calculating means further calculates a bubble diameter and the number of bubbles.

請求項4記載の発明は、請求項2に記載の多相流流量計において、
前記流量パラメータ演算手段は、さらに、粒子径と粒子個数を演算することを特徴とする。
The invention according to claim 4 is the multiphase flow meter according to claim 2,
The flow rate parameter calculating means further calculates the particle diameter and the number of particles.

請求項5記載の発明は、請求項1に記載の多相流流量計において、
第1の流量測定手段および第2の流量測定手段の測定信号は、超音波信号であることを特徴とする。
The invention according to claim 5 is the multiphase flow meter according to claim 1,
The measurement signals of the first flow rate measurement unit and the second flow rate measurement unit are ultrasonic signals.

これらにより、比較的安価で簡便な構成で、液体と気体の流量をそれぞれ測定できる多相流流量計を実現できる。   Accordingly, it is possible to realize a multi-phase flow meter that can measure the flow rates of liquid and gas with a relatively inexpensive and simple configuration.

本発明の一実施例を示す構成説明図である。It is a configuration explanatory view showing an embodiment of the present invention. 配管内に気泡流が流れている状態の説明図である。It is explanatory drawing of the state in which the bubble flow is flowing in piping. ストークスの式の説明図である。It is explanatory drawing of the formula of Stokes. 配管内におけるスラグ流の状態説明図である。It is state explanatory drawing of the slag flow in piping. スラグ流の検出状態説明図である。It is a detection state explanatory view of slag flow. スラグ流の測定動作説明図である。It is a measurement operation explanatory view of slag flow. スラグ流が流れている配管とスラグ流測定状態における信号検出の概念図である。It is a conceptual diagram of the signal detection in the piping and the slag flow measurement state in which the slag flow is flowing. 気泡量を変えたときのデータの検出頻度を図式化した説明図である。It is explanatory drawing which represented the detection frequency of the data when changing the amount of bubbles. スラグ流測定時のアルゴリズムである。This is an algorithm for measuring slag flow. 図1の動作の流れの概要を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the outline | summary of the flow of operation | movement of FIG. 気泡流モードの動作の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of operation | movement of bubble flow mode. 気泡から反射信号振幅プロファイルを取得する方法の説明図である。It is explanatory drawing of the method of acquiring a reflected signal amplitude profile from a bubble. 反射信号強度のプロファイル例図である。It is a profile example figure of reflected signal strength. 反射信号振幅のプロファイルフィッティング例図である。It is an example figure of profile fitting of reflected signal amplitude. スラグ流モードの動作の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of operation | movement of slug flow mode. 本発明の他の実施例を示す構成説明図である。It is composition explanatory drawing which shows the other Example of this invention. 本発明の他の実施例を示す構成説明図である。It is composition explanatory drawing which shows the other Example of this invention. 本発明の他の実施例を示す構成説明図である。It is composition explanatory drawing which shows the other Example of this invention. 周波数の異なるトランスデューサによる測定データの比較図である。It is a comparison figure of the measurement data by the transducer from which frequency differs. 伝搬時間差法の信号振幅の説明図である。It is explanatory drawing of the signal amplitude of a propagation time difference method.

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図1は本発明の一実施例を示す構成説明図である。図1において、管路10は、流体が上方向に流れる垂直配管11と、上方向に流れる流体が水平方向に流れる水平配管12とで構成されている。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is an explanatory diagram showing the construction of an embodiment of the present invention. In FIG. 1, a pipe line 10 is composed of a vertical pipe 11 through which fluid flows upward and a horizontal pipe 12 through which fluid flows upward.

垂直配管11の外壁には、測定信号の送受を行い第1の流量測定手段20を構成するトランスデューサ21、22が垂直配管11を挟むようにして設けられている。これらトランスデューサ21、22は少なくともいずれか1つを設ければよく、反射相関法やドップラー法などの粒子の速度を測定する方法で、流体内の気泡の反射信号から流速を求めることができる。ただし、伝搬時間差法は気泡そのものの流速測定には適さない。   On the outer wall of the vertical pipe 11, transducers 21 and 22 that transmit and receive measurement signals and constitute the first flow rate measuring means 20 are provided so as to sandwich the vertical pipe 11. At least one of these transducers 21 and 22 may be provided, and the flow velocity can be obtained from the reflection signal of the bubbles in the fluid by a method of measuring the velocity of particles such as the reflection correlation method or the Doppler method. However, the propagation time difference method is not suitable for measuring the flow velocity of the bubble itself.

水平配管12の外壁には、測定信号の送受を行い第2の流量測定手段30を構成するトランスデューサ31、32が水平配管12を垂直方向に挟むようにして設けられている。水平配管12についても、これらトランスデューサ31、32の少なくともいずれか1つを設ければよく、反射相関法やドップラー法などの粒子の速度を測定する。なお、水平配管12については、2つのトランスデューサ31、32を用いて伝搬時間差法により流速を測定することもできる。   On the outer wall of the horizontal pipe 12, transducers 31 and 32 that transmit and receive a measurement signal and constitute the second flow rate measuring means 30 are provided so as to sandwich the horizontal pipe 12 in the vertical direction. The horizontal pipe 12 may be provided with at least one of these transducers 31 and 32, and the velocity of particles such as reflection correlation method or Doppler method is measured. For the horizontal pipe 12, the flow velocity can also be measured by the propagation time difference method using the two transducers 31 and 32.

これら第1の流量測定手段20を構成するトランスデューサ21、22および第2の流量測定手段30を構成するトランスデューサ31、32は、流量パラメータ演算手段として機能する演算制御部40に接続されている。   The transducers 21 and 22 constituting the first flow rate measuring unit 20 and the transducers 31 and 32 constituting the second flow rate measuring unit 30 are connected to an arithmetic control unit 40 functioning as a flow rate parameter calculating unit.

演算制御部40は、トランスデューサ21、22およびトランスデューサ31、32を駆動制御して測定データを蓄積・演算し、それらの演算結果を表示・出力する。この演算制御部40には、外部からの電源供給、外部への4-20mAの電流出力、外部との通信などの目的でケーブル50が接続されている。   The calculation control unit 40 drives and controls the transducers 21 and 22 and the transducers 31 and 32, accumulates and calculates measurement data, and displays and outputs the calculation results. A cable 50 is connected to the arithmetic control unit 40 for the purpose of supplying power from the outside, outputting a current of 4 to 20 mA to the outside, and communicating with the outside.

図2は、配管内に気泡流が流れている状態の説明図である。図2において、第2の流量測定手段30を構成するトランスデューサ31、32が水平配管12を垂直方向に挟むようにして設けられているので、配管内の気体量が少ない場合にはほぼ満水に近い状態となるためトランスデューサ31、32ともに流量信号を検出することができる。   FIG. 2 is an explanatory diagram of a state in which a bubble flow is flowing in the pipe. In FIG. 2, since the transducers 31 and 32 constituting the second flow rate measuring means 30 are provided so as to sandwich the horizontal pipe 12 in the vertical direction, when the amount of gas in the pipe is small, the state is almost full. Therefore, both the transducers 31 and 32 can detect the flow signal.

この状態では、配管内の気体の量は数%以下であり、管内は小さい気泡が流れている気泡流とよばれる流れとなる。このような状況で気泡量を求めるために、「気泡流モード」の信号処理を行う。   In this state, the amount of gas in the pipe is several percent or less, and the pipe has a flow called a bubble flow in which small bubbles are flowing. In order to obtain the amount of bubbles in such a situation, signal processing in “bubble flow mode” is performed.

気泡流モードよりも気泡量が増えると、水平配管12の上側には気体が溜まることになり、非満水状態となる。そのため、水平配管12の上部に取り付けられているトランスデューサ31は、配管と気体の音響インピーダンスが極端に異なることから超音波を配管内に伝えることができなくなり、信号が検出できなくなるが、トランスデューサ32は水平配管12の下側に固定されているため非満水の状態でも信号を検出できる。   When the amount of bubbles increases as compared with the bubble flow mode, gas accumulates on the upper side of the horizontal pipe 12, and the state becomes non-full. Therefore, the transducer 31 attached to the upper part of the horizontal pipe 12 cannot transmit ultrasonic waves into the pipe because the acoustic impedance of the pipe and gas is extremely different, and the signal cannot be detected. Since it is fixed to the lower side of the horizontal pipe 12, a signal can be detected even in a non-full state.

このときの気泡量は数%以上100%未満で、垂直配管11内の流れの様式はスラグ流と呼ばれる配管全体を塞ぐような大きな気泡と、液体の中に小さな気泡が入る気泡流が交互に流れるモードとなる。このような状況で気泡量を求めるために、別途説明する「スラグ流モード」の信号処理を行う。   At this time, the amount of bubbles is several percent or more and less than 100%, and the flow pattern in the vertical pipe 11 is alternately a large bubble that closes the entire pipe called a slag flow and a bubble flow in which small bubbles enter the liquid. It becomes a flowing mode. In order to obtain the amount of bubbles in such a situation, signal processing in “slag flow mode” described separately is performed.

さらに、気泡量が増えてほぼ気体だけの状態となると、下側に固定されているトランスデューサ32でも信号が検出できなくなる。この状態は配管内にほぼ100%気体しか流れていない状態なので、気体流量を100%と判断する。   Further, when the amount of bubbles increases and the state is almost only gas, the transducer 32 fixed on the lower side cannot detect a signal. Since this state is a state where only 100% gas flows in the pipe, the gas flow rate is determined to be 100%.

また、トランスデューサ31のみ信号が検出でき、トランスデューサ32では信号が検出できない状態は通常考えられないため、故障と判断する。   In addition, since only the transducer 31 can detect a signal and the transducer 32 cannot normally detect a signal, it is determined as a failure.

反射相関法を用いると、この水平配管12を垂直方向に挟むようにして設けられているトランスデューサ31、32を利用することによって、液体と気体の界面の位置を同定することができる。これは気体と液体の割合がこの位置でどの程度になっているかの大まかな目安になる。   When the reflection correlation method is used, the position of the interface between the liquid and the gas can be identified by using the transducers 31 and 32 provided so as to sandwich the horizontal pipe 12 in the vertical direction. This is a rough measure of how much the ratio of gas to liquid is at this position.

しかし、気体と液体の間にはスリップが存在するので、同じ流速で配管内を流れているわけではなく、また、気体は圧縮性を有するためボイルシャルルの法則に従うことから、測定位置よりも下流の配管の状態(たとえば大気開放となっているか圧力がかかっているか)によってはトランスデューサ31、32だけでは気体の体積や流量を正確に求めることは困難である。   However, since there is a slip between the gas and the liquid, it does not flow in the pipe at the same flow rate, and since the gas is compressible, it follows Boyle's law, so it is downstream from the measurement position. Depending on the state of the pipe (for example, whether the atmosphere is open or pressure is applied), it is difficult to accurately determine the volume and flow rate of the gas using only the transducers 31 and 32.

気泡流モードの信号処理について説明する。
トランスデューサ21、22を使った反射相関法やドップラー法で求めた流速は、トランスデューサ21、22が垂直配管11に配置されているので、流体の流速+気泡の浮力(あるいは−粒子の重力)による流速が測定される。図2では、流れが上方に向いているので、気泡の浮力分だけ液体の流速よりも速くなる。
The signal processing in the bubble flow mode will be described.
The flow velocity obtained by the reflection correlation method or the Doppler method using the transducers 21 and 22 is the flow velocity due to the fluid flow velocity + bubble buoyancy (or -gravity of particles) because the transducers 21 and 22 are arranged in the vertical pipe 11. Is measured. In FIG. 2, since the flow is directed upward, the flow velocity is faster than the liquid flow rate by the buoyancy of the bubbles.

一方、トランスデューサ31、32で求めた流速は、水平配管12に配置されているので気泡の浮力の影響は無く、流体の流速のみを測定している。   On the other hand, since the flow velocity obtained by the transducers 31 and 32 is arranged in the horizontal pipe 12, there is no influence of bubble buoyancy, and only the fluid flow velocity is measured.

演算制御部40は、これらトランスデューサ21、22と31、32で観測された流速を計算し、トランスデューサ31、32で測定した流速に対するトランスデューサ21、22の流速誤差を算出する。   The arithmetic control unit 40 calculates the flow velocity observed by these transducers 21, 22 and 31, 32, and calculates the flow velocity error of the transducers 21, 22 with respect to the flow velocity measured by the transducers 31, 32.

トランスデューサ31、32で測定した流速に対してトランスデューサ21、22で測定した流速がある閾値を超えてプラスの誤差を有する場合は「気泡あり」と判断し、気泡径測定のルーチンに進む。この判断には、何秒以上プラス誤差が続く、全データ中何データ以上プラス誤差があるなどの時間的な要素が入ってよい。   When the flow rate measured by the transducers 31 and 32 exceeds a certain threshold and has a positive error with respect to the flow rate measured by the transducers 31 and 32, it is determined that “bubbles exist”, and the process proceeds to the bubble diameter measurement routine. This determination may include temporal elements such as how many seconds or more plus error continues, or how many data or more plus error in all data.

気泡径測定のルーチンでは、トランスデューサ31、32で観測された流速に対するトランスデューサ21、22の流速誤差分が気泡による浮力分であると仮定して、浮上速度(トランスデューサ21、22で観測された流速−トランスデューサB31、32で観測された流速)から気泡径を求める。   In the bubble diameter measurement routine, assuming that the flow velocity error of the transducers 21 and 22 with respect to the flow velocity observed by the transducers 31 and 32 is the buoyancy due to the bubbles, the ascent rate (the flow velocity observed by the transducers 21 and 22− The bubble diameter is obtained from the flow velocity observed by the transducers B31 and B32.

ここで、単一気泡の上昇速度は浮力と抗力の釣り合いによって決まる。これを式で表現すると次式になる。   Here, the rising speed of a single bubble is determined by the balance between buoyancy and drag. This is expressed by the following equation.

ρd・g・(4/3)・π・r3=(Cd・ρd/2)・π・r2・(wb-wl)2 (1) ρd ・ g ・ (4/3) ・ π ・ r 3 = (Cd ・ ρd / 2) ・ π ・ r 2・ (wb-wl) 2 (1)

ここで、左辺は浮力、右辺は抗力であり、
wb:気泡の速度
wl:液体の速度
Cd:抗力係数
ρ:密度差
g:重力加速度
r:気泡半径
とする。
この式(1)から、
Where the left side is buoyancy, the right side is drag,
wb: Bubble speed
wl: Liquid velocity
Cd: drag coefficient ρ: density difference
g: Gravity acceleration
r: Bubble radius.
From this equation (1)





を導くことができる。
ここで、抗力係数Cdは気泡のRe数Rebによって表現が異なる。
一方、Rebは、この測定システムで実際に検知しうる気泡のサイズや流れを仮定して流れの状態を判定する。配管内の流体で、仮に気泡の半径rxを1mmとし、気泡と液体の相対速度ub1を10cm/sとし、25℃における水の動粘性係数ν1を0.893×10-6m2/sとしてこの気泡のRe数を計算すると、
Reb=2・rx・ub1/ν1 (2)
から、Rebは22.4になる。
Can guide you.
Here, the drag coefficient Cd is expressed differently depending on the Re number Reb of the bubbles.
On the other hand, Reb determines the flow state assuming the bubble size and flow that can be actually detected by this measurement system. This is a fluid in the pipe. If the bubble radius rx is 1 mm, the relative velocity ub1 between the bubble and liquid is 10 cm / s, and the kinematic viscosity coefficient ν1 of water at 25 ° C is 0.893 × 10 -6 m 2 / s. When calculating the Re number of
Reb = 2 ・ rx ・ ub1 / ν1 (2)
Therefore, Reb becomes 22.4.

この領域はAllen領域(遷移領域)であり、Allen領域での抗力係数Cdは式(3)のように表現できる。   This region is an Allen region (transition region), and the drag coefficient Cd in the Allen region can be expressed as in Equation (3).



(3)



(3)

これを気泡径rについて解くと、式(4)のようになる。   When this is solved for the bubble diameter r, the equation (4) is obtained.


(4)

(Four)

以上の式から明らかなように、水平配管12における液体の流速wlと垂直配管11における気泡流の速度wbを求めることで、気泡の径rを求めることができる。   As is clear from the above formula, the bubble diameter r can be obtained by obtaining the liquid flow rate wl in the horizontal pipe 12 and the bubble flow speed wb in the vertical pipe 11.

なお、気泡径rは、図3に示す気泡の直径と浮上速度の関係を示すストークスの式から算出してもよい。   The bubble diameter r may be calculated from the Stokes equation showing the relationship between the bubble diameter and the rising speed shown in FIG.

また、気泡ではなく粒子の場合には、重力で流体の流れより粒子の移動速度が低下することがある。このようなケースでは、粒子測定ルーチンでの計算を行い粒子密度を仮定した上で粒子の径を求めることができる。   In the case of particles instead of bubbles, the moving speed of the particles may be lower than the flow of fluid due to gravity. In such a case, the particle diameter can be obtained after calculating the particle measurement routine and assuming the particle density.

水などの流体よりも比重の大きい粒子(たとえば、石炭などの鉱物)は、液体に対して沈む性質がある。図2に示すようにトランスデューサ21、22が設置されている垂直配管11において、流体よりも比重の大きい粒子が存在していれば、トランスデューサ21、22で観測される流速は、トランスデューサ31、32で観測される流速よりも遅くなる。これを利用することにより、気泡の場合と同様の考え方で、流体中の粒子の含有量が測定できる。   Particles having a specific gravity greater than that of a fluid such as water (for example, a mineral such as coal) have a property of sinking into a liquid. As shown in FIG. 2, in the vertical pipe 11 where the transducers 21 and 22 are installed, if particles having a specific gravity larger than that of the fluid are present, the flow velocity observed by the transducers 21 and 22 is the transducers 31 and 32. Slower than the observed flow velocity. By utilizing this, the content of particles in the fluid can be measured in the same way as in the case of bubbles.

スラグ流モードの信号処理について説明する。
図4は配管内におけるスラグ流の状態説明図、図5はスラグ流の検出状態説明図、図6はスラグ流の測定動作説明図である。
The signal processing in the slug flow mode will be described.
FIG. 4 is an explanatory diagram of the state of the slag flow in the pipe, FIG. 5 is an explanatory diagram of the detection state of the slag flow, and FIG. 6 is an explanatory diagram of the measurement operation of the slag flow.

スラグ流は、これら各図に示すように、巨大な気泡が流れた後に微小な気泡が流れ、また巨大な気泡が流れるというような巨大な気泡と微小な気泡が交互に流れる流れとなる。 図5(A)はトランスデューサ21、22がスラグ流の小気泡を検出している状態を示し、図5(B)はトランスデューサ21、22がスラグ流の大気泡を検出している状態を示している。   As shown in each of these figures, the slug flow is a flow in which huge bubbles and minute bubbles alternately flow such that a minute bubble flows after a huge bubble flows and a giant bubble flows. 5A shows a state where the transducers 21 and 22 detect small bubbles in the slag flow, and FIG. 5B shows a state where the transducers 21 and 22 detect large bubbles in the slag flow. Yes.

図5において、トランスデューサ21、22間における超音波のパスをFとすると、スラグ流モードでは、(A)に示す微小な気泡からは反射相関法で信号を検出できるが、(B)に示す巨大な気泡からの反射信号は得られない。そこで、反射相関法で検出される微小な気泡からの信号を利用して気泡量の推定を行う。   In FIG. 5, if the ultrasonic path between the transducers 21 and 22 is F, in the slag flow mode, signals can be detected from the microbubbles shown in (A) by the reflection correlation method, but the giant shown in (B). A reflected signal from a simple bubble cannot be obtained. Therefore, the amount of bubbles is estimated using signals from minute bubbles detected by the reflection correlation method.

なお、反射相関法によれば、気泡などからの反射信号の移動速度から超音波のパスに沿った複数の位置の流速を求めることにより、図6に示すような流速プロファイルを求めることもできる。図6の「○」は測定点を示している。図6において、横軸はトランスデューサからの距離を示し、縦軸は流速を示している。   Note that according to the reflection correlation method, a flow velocity profile as shown in FIG. 6 can be obtained by obtaining flow velocities at a plurality of positions along the ultrasonic path from the moving speed of the reflected signal from bubbles or the like. “◯” in FIG. 6 indicates measurement points. In FIG. 6, the horizontal axis indicates the distance from the transducer, and the vertical axis indicates the flow velocity.

図7(A)はスラグ流が流れている配管の拡大図、図7(B)は図4に示すスラグ流測定状態におけるトランスデューサ21とトランスデューサ22による信号検出の概念図である。第1の流量測定手段20は垂直配管11を流れる液体と大気泡の気体を間欠的に検出するが、第2の流量測定手段30は水平配管12を連続的に流れる液体を常に検出することになる。   FIG. 7A is an enlarged view of the pipe through which the slag flow flows, and FIG. 7B is a conceptual diagram of signal detection by the transducer 21 and the transducer 22 in the slag flow measurement state shown in FIG. The first flow rate measuring means 20 intermittently detects the liquid flowing through the vertical pipe 11 and the large bubble gas, but the second flow rate measuring means 30 always detects the liquid flowing continuously through the horizontal pipe 12. Become.

図8は気泡量を変えたときのデータの検出頻度を図式化した説明図であって、(A)は気泡量40%を示し、(B)は気泡量20%を示したものであり、横軸はトランスデューサからの距離に応じて任意の数に分解された領域を示し、縦軸はサンプリングの回数を示している。   FIG. 8 is an explanatory diagram schematically showing the detection frequency of data when the amount of bubbles is changed, where (A) shows the amount of bubbles 40%, (B) shows the amount of bubbles 20%, The abscissa represents an area divided into an arbitrary number according to the distance from the transducer, and the ordinate represents the number of samplings.

図8において、1回のプロファイルサンプリングで横1列のデータを取ることができ、データが存在する部分は白抜きのセルで表示され、データが存在しない(測定できなかった)部分は黒のセルで表示されている。前述のスラグ流モードでは、図8の黒で表示された部分は大きな気泡が存在している領域を表し、白で表示された部分は小さな気泡が存在する領域を表していることになる。   In FIG. 8, one row of data can be taken by one profile sampling. The portion where the data exists is displayed as a white cell, and the portion where the data does not exist (not measured) is a black cell. Is displayed. In the above-described slag flow mode, the portion displayed in black in FIG. 8 represents a region where large bubbles are present, and the portion displayed in white represents a region where small bubbles are present.

厳密には、気泡が無い部分も黒で表示されるはずであるが、スラグ流は相当量の気泡が混入された結果生じる流れであることから、気泡が無い部分は実質的には考慮する必要はない。図8によれば、気泡量が少ない場合には白い点が増え、気泡量が多い場合には黒い点が増えることが明らかである。   Strictly speaking, the part without bubbles should be displayed in black, but the slag flow is the result of mixing a considerable amount of bubbles, so it is necessary to consider the part without bubbles substantially. There is no. According to FIG. 8, it is clear that white points increase when the amount of bubbles is small, and black points increase when the amount of bubbles is large.

ここで、たとえば1プロファイルの測定点を40個として、有効なデータが10個未満しか存在していないときは大気泡が通過している領域と判定し、有効データが10個以上存在しているとき小気泡が流れている領域と判定する。これを複数回繰り返しサンプリングすることにより、大気泡と小気泡の割合から流体として流れる気体の量を推定できる。   Here, for example, when 40 measurement points of one profile are present and there are less than 10 valid data, it is determined that the large bubble has passed, and there are 10 or more valid data. It is determined that the area is where small bubbles are flowing. By sampling this multiple times, the amount of gas flowing as a fluid can be estimated from the ratio of large bubbles to small bubbles.

実際には、信号処理を行うのにあたり、前述の図7(B)に示すように、信号を検出している時間以外に演算も行っていることから、気泡量を測定していない信号未検出時間部分が存在する。そこで、信号未検出空間にも信号検出空間における気泡量の測定結果と同量の気泡が存在すると仮定して気泡量を計算することで、最終的に流体全体での気泡量を求めることができる。   Actually, when performing signal processing, as shown in FIG. 7B, calculation is performed in addition to the time during which the signal is detected. There is a time part. Therefore, by calculating the bubble amount assuming that the same amount of bubbles as the measurement result of the bubble amount in the signal detection space exists in the signal non-detection space, the bubble amount in the entire fluid can be finally obtained. .

具体的には、図9のスラグ流測定時のアルゴリズムに示すように、信号の未検出時間(未検出領域)の全体の計測時間に対する割合を求めてその中の気泡量を検出領域と同じ割合と仮定し、また空間的な気泡量は後述の図15に示すフローチャートにおけるデータ数の設定値Bが1検出サイクルの空間的な気泡量を表すと仮定して、これらの積を気泡量とする。   Specifically, as shown in the algorithm at the time of slag flow measurement in FIG. 9, the ratio of the signal non-detection time (non-detection area) to the total measurement time is obtained, and the amount of bubbles therein is the same ratio as the detection area. Assuming that the amount of air bubbles is a bubble amount, assuming that the set value B of the number of data in the flowchart shown in FIG. 15 described later represents the amount of air bubbles in one detection cycle. .

図10は、図1の動作の流れの概要を示すフローチャートである。
はじめに、水平配管12に設けられているトランスデューサ31、32の出力信号の組み合わせに基づき、流れのモードを判定する。
FIG. 10 is a flowchart showing an outline of the operation flow of FIG.
First, based on the combination of the output signals of the transducers 31 and 32 provided in the horizontal pipe 12, the flow mode is determined.

具体的には、まず、トランスデューサ31の出力信号の有無を判断する(ステップS1)。トランスデューサ31の出力信号があれば続いてトランスデューサ32の出力信号の有無を判断する(ステップS2)。トランスデューサ32の出力信号があれば気泡流モードと判断し、トランスデューサ32の出力信号がなければセンサの故障と判断する。気泡流モードの動作の流れは、図11のフローチャートを用いて説明する。   Specifically, first, the presence / absence of an output signal from the transducer 31 is determined (step S1). If there is an output signal from the transducer 31, then the presence / absence of the output signal from the transducer 32 is determined (step S2). If there is an output signal from the transducer 32, it is determined as a bubble flow mode, and if there is no output signal from the transducer 32, it is determined that the sensor has failed. The operation flow in the bubble flow mode will be described with reference to the flowchart of FIG.

トランスデューサ31の出力信号がない場合でも、続いてトランスデューサ32の出力信号の有無を判断する(ステップS3)。トランスデューサ32の出力信号があればスラグ流モードと判断し、トランスデューサ32の出力信号がなければ気体100%と判断する。スラグ流モードの動作の流れは、図13のフローチャートを用いて説明する。   Even if there is no output signal from the transducer 31, the presence or absence of an output signal from the transducer 32 is subsequently determined (step S3). If there is an output signal from the transducer 32, it is determined that the mode is a slag flow mode. The operation flow in the slag flow mode will be described with reference to the flowchart of FIG.

図11は、気泡流モードの動作の流れを示すフローチャートである。はじめに、第1の流量測定手段20の流速測定結果Aを求め(ステップS1)、続いて第2の流量測定手段30の流速測定結果Bを求める(ステップS2)。そして、これら第1の流量測定手段20の流速測定結果Aの値と第2の流量測定手段30の流速測定結果Bの値がA≧Bか否かを比較判定する(ステップS3)。   FIG. 11 is a flowchart showing a flow of operations in the bubble flow mode. First, the flow rate measurement result A of the first flow rate measuring means 20 is determined (step S1), and then the flow rate measurement result B of the second flow rate measuring means 30 is determined (step S2). Then, it is determined whether or not the value of the flow rate measurement result A of the first flow rate measuring unit 20 and the value of the flow rate measurement result B of the second flow rate measuring unit 30 satisfy A ≧ B (step S3).

A≧Bの場合は気泡があると判断して気泡径測定ルーチン(ステップS4)の処理に移行し、A≧Bではない場合は粒子があると判断して粒子径測定ルーチン(ステップS7)の処理に移行する。   When A ≧ B, it is determined that there is a bubble and the process proceeds to the bubble diameter measurement routine (step S4). When A ≧ B is not satisfied, it is determined that there is a particle and the particle diameter measurement routine (step S7) Transition to processing.

気泡径測定ルーチンでは気泡個数計数ルーチン(ステップS5)の処理を実行して気泡量を計算し(ステップS6)、粒子径測定ルーチン(ステップS7)では粒子個数計数ルーチン(ステップS8)の処理を実行して粒子の含有量を計算する(ステップS9)。粒子径は、沈降速度と粒子径の関係を示すストークスの式から算出できる。   In the bubble diameter measurement routine, the bubble number counting routine (step S5) is executed to calculate the amount of bubbles (step S6), and in the particle diameter measurement routine (step S7), the particle number counting routine (step S8) is executed. The particle content is calculated (step S9). The particle size can be calculated from the Stokes equation showing the relationship between the sedimentation rate and the particle size.

粒子径を求める別の方法として、粒子を剛体とみなして反射係数と粒子径の関係を示すテーブル(Stenzelの反射係数)を用い、反射信号振幅の絶対値から粒子径を求めるようにしてもよい。   As another method for obtaining the particle size, the particle size may be obtained from the absolute value of the reflection signal amplitude by using a table (Stenzel reflection coefficient) indicating the relationship between the reflection coefficient and the particle size by regarding the particle as a rigid body. .

また、第1の流量測定手段20と第2の流量測定手段30を用いて気泡からの反射信号振幅のプロファイルを取得する信号強度プロファイルルーチンの処理も実行し(ステップS10)、その処理結果をステップS5の気泡個数計数ルーチンの処理およびステップS7の粒子径測定ルーチンに入力して反映させる。   In addition, a signal intensity profile routine process for obtaining a reflected signal amplitude profile from the bubble using the first flow rate measuring means 20 and the second flow rate measuring means 30 is also executed (step S10), and the processing result is set as a step. This is input and reflected in the processing of the bubble number counting routine in S5 and the particle diameter measurement routine in step S7.

図12は気泡から反射信号振幅プロファイルを取得する方法の説明図であり、図1の部分拡大図である。図12において、水平配管12の外壁には、気泡から反射信号を検出するためのトランスデューサ31が設けられている。   FIG. 12 is an explanatory diagram of a method for obtaining a reflected signal amplitude profile from bubbles, and is a partially enlarged view of FIG. In FIG. 12, a transducer 31 for detecting a reflected signal from bubbles is provided on the outer wall of the horizontal pipe 12.

反射信号振幅プロファイルの取得は流量計測とは全く別に行うものであり、反射信号振幅プロファイルは、超音波の伝搬時間から推定した配管内の各位置における反射信号の振幅を表している。   The acquisition of the reflected signal amplitude profile is performed completely separately from the flow rate measurement, and the reflected signal amplitude profile represents the amplitude of the reflected signal at each position in the pipe estimated from the propagation time of the ultrasonic wave.

図13は、反射信号強度のプロファイル例図である。図13において、横軸は配管内の超音波伝搬距離、縦軸は気泡からの超音波の反射信号の振幅(相対値)を表している。伝搬距離0mはトランスデューサ側の配管内壁を表している。   FIG. 13 is a profile example of the reflected signal intensity. In FIG. 13, the horizontal axis represents the ultrasonic propagation distance in the pipe, and the vertical axis represents the amplitude (relative value) of the reflected signal of the ultrasonic wave from the bubble. A propagation distance of 0 m represents the inner wall of the pipe on the transducer side.

ところで、図11のフローチャートにおける気泡個数計算ルーチン(ステップS5)では、前過程まで得られた反射信号振幅のプロファイルと気泡径の情報を元に、気泡個数を決定する。具体的には、気泡径と気泡数をパラメータとした算出式を用いて、反射信号振幅のプロファイルとのフィッティングから気泡数を計算する。計算式としては、たとえば次式(5)が考えられる。   By the way, in the bubble number calculation routine (step S5) in the flowchart of FIG. 11, the number of bubbles is determined based on the reflection signal amplitude profile and bubble diameter information obtained up to the previous process. Specifically, the number of bubbles is calculated from the fitting with the profile of the reflected signal amplitude using a calculation formula using the bubble diameter and the number of bubbles as parameters. As a calculation formula, for example, the following formula (5) is conceivable.

式(5)において、aは超音波の反射信号の振幅、Aは超音波の反射信号の強度、Iは超音波の入射信号強度、Sは気泡断面積であり気泡の半径をrとすればπr2となる。nは単位体積当たりの気泡数密度、xは超音波の伝搬距離、dxはある時間における波形の切り取り範囲を表している。式(5)は、反射強度Aが、(ある位置までの透過波強度)×(ある位置における超音波の反射率)×(その他の項)で表されることを意味している。 In equation (5), a is the amplitude of the ultrasonic reflected signal, A is the intensity of the ultrasonic reflected signal, I 0 is the intensity of the ultrasonic incident signal, S is the bubble cross-sectional area, and the radius of the bubble is r. Πr 2 . n is the bubble number density per unit volume, x is the propagation distance of the ultrasonic wave, and dx is the waveform clipping range at a certain time. Expression (5) means that the reflection intensity A is expressed by (transmitted wave intensity up to a certain position) × (ultrasound reflectivity at a certain position) × (other terms).

ここで、その他の項とは、超音波の伝搬に伴う流体の超音波吸収項や拡散項、バックグラウンドノイズなどである。バックグラウンドノイズは、超音波を発していないときに観測される信号振幅の実測値としてもよい。   Here, the other terms are an ultrasonic absorption term and diffusion term of fluid accompanying propagation of ultrasonic waves, background noise, and the like. The background noise may be a measured value of a signal amplitude observed when no ultrasonic wave is emitted.

(5)式における未知のパラメータは気泡数密度nだけである。この気泡数密度nは、たとえば図14に示すように反射信号振幅のプロファイルとのフィッティングで決定してもよい。フィッティングには、たとえば最小二乗法を用いる。なお、相対値によるフィッティングでよく、反射信号振幅の絶対値は必要ない。これは、(5)式におけるI0とdxを知る必要がないだけでなく、配管とトランスデューサの接触面積、配管の種類・厚さ・付着物の有無なども考慮する必要がないという大きなメリットがある。 The only unknown parameter in equation (5) is the bubble number density n. The bubble number density n may be determined by fitting with a reflection signal amplitude profile as shown in FIG. 14, for example. For the fitting, for example, a least square method is used. In addition, the fitting by a relative value may be sufficient and the absolute value of a reflected signal amplitude is not required. This is not only necessary to know I 0 and dx in the formula (5), but also has a great merit that it is not necessary to consider the contact area between the pipe and the transducer, the type and thickness of the pipe, and the presence or absence of deposits. is there.

図14は、反射信号振幅のプロファイルフィッティング例図である。図14において、横軸は配管内の超音波伝搬距離、縦軸は気泡からの超音波の反射信号の振幅(相対値)を表している。なお、図14では気泡量(void ratio)でフィッティングしているが、気泡径が既にわかっているので、気泡数と気泡量のどちらでフィッティングしてもよい。   FIG. 14 is an example of profile fitting of reflected signal amplitude. In FIG. 14, the horizontal axis represents the ultrasonic propagation distance in the pipe, and the vertical axis represents the amplitude (relative value) of the reflected signal of the ultrasonic wave from the bubble. In FIG. 14, the fitting is performed with the bubble ratio (void ratio), but since the bubble diameter is already known, the fitting may be performed with either the number of bubbles or the amount of bubbles.

上記の過程により、気泡径と気泡数が算出できるため、図11のフローチャートに示すように気泡量が計算できる。最終的な出力としては、流速、流量、気泡径、気泡数、気泡量のいずれでも可能である。   Since the bubble diameter and the number of bubbles can be calculated by the above process, the amount of bubbles can be calculated as shown in the flowchart of FIG. The final output can be any of flow velocity, flow rate, bubble diameter, bubble number, and bubble volume.

図15は、スラグ流モードの動作の流れを示すフローチャートである。はじめに、流速プロファイルを測定し(ステップS1)、続いて流速プロファイル形成データ数のカウント値Aを求める(ステップS2)。そして、このカウント値AとステップS3で別途設定されるデータ数設定値BがA≧Bか否かを比較判定する(ステップS4)。   FIG. 15 is a flowchart showing an operation flow in the slug flow mode. First, a flow velocity profile is measured (step S1), and then a count value A of the number of flow velocity profile formation data is obtained (step S2). Then, it is determined whether or not the count value A and the data number setting value B set separately in step S3 are A ≧ B (step S4).

A≧Bの場合は流速プロファイルデータの処理(ステップS5)に移行し、A≧Bではない場合は気泡領域の処理(ステップS6)に移行する。   When A ≧ B, the process proceeds to the flow velocity profile data process (step S5), and when A ≧ B, the process proceeds to the bubble region process (step S6).

これら流速プロファイルデータの処理および気泡領域の処理が終わると、平均流速プロファイルの処理(ステップS7)に移行する。   When the processing of the flow velocity profile data and the processing of the bubble region are finished, the process proceeds to the processing of the average flow velocity profile (step S7).

その後、気泡領域頻度を求めて(ステップS8)、さらに気泡量を計算する(ステップS9)。   Thereafter, the bubble region frequency is obtained (step S8), and the bubble amount is further calculated (step S9).

これらの構成により、既存の超音波流量計と類似の単純な構成で、超音波流量計としての流体の流量計測だけでなく気泡径・気泡数の測定や気泡の流量などの各種の流量パラメータも同時に測定することができ、経済的である。
また、流れの判定ルーチンを利用することで気泡の有無、および粒子の有無も検出できる。
With these configurations, not only the flow rate of fluid as an ultrasonic flow meter, but also various flow parameters such as the measurement of bubble diameter and number of bubbles and the flow rate of bubbles, with a simple configuration similar to existing ultrasonic flow meters. It can be measured simultaneously and is economical.
Further, the presence / absence of bubbles and the presence / absence of particles can be detected by using the flow determination routine.

なお、上記実施例では、気泡や粒子に関して気泡量や粒子量を求める例を説明したが、必ずしも気泡量を求めなくても、気泡/粒子径のみや気泡/粒子個数のみを出力してもよい。   In the above embodiment, the example of obtaining the bubble amount and the particle amount with respect to the bubbles and particles has been described. However, it is not always necessary to obtain the bubble amount, and only the bubble / particle diameter or the number of bubbles / particles may be output. .

また、水平配管12における反射相関法による流量計測の代わりに、垂直配管11や水平配管12で伝搬時間差法により液体の流速を測定して気泡流量を求めるのに利用してもよい。   Further, instead of measuring the flow rate by the reflection correlation method in the horizontal pipe 12, the flow rate of the liquid may be measured by the propagation time difference method in the vertical pipe 11 or the horizontal pipe 12 to obtain the bubble flow rate.

図16は本発明の他の実施例を示す構成説明図であって、図1と共通する部分には同一の符号を付けている。図16において、管路10は、流体が下方向に流れる垂直配管11と、下方向に流れる流体が水平方向に流れる水平配管12とで構成されている。   FIG. 16 is a structural explanatory view showing another embodiment of the present invention, and the same reference numerals are given to the portions common to FIG. In FIG. 16, the pipe line 10 includes a vertical pipe 11 in which the fluid flows downward and a horizontal pipe 12 in which the fluid that flows downward flows in the horizontal direction.

図16のように構成することにより、気泡と粒子を個別に判定することもできる。下流の水平配管12の内部では、密度が液体より大きい粒子は遠心力により底部側に寄り、密度の小さい気泡はさらに浮力により上部側に寄る。   By configuring as shown in FIG. 16, it is also possible to individually determine bubbles and particles. In the downstream horizontal pipe 12, particles having a density higher than that of the liquid are moved closer to the bottom due to centrifugal force, and bubbles having a lower density are further moved toward the upper side due to buoyancy.

水平配管12を垂直方向に挟むようにして設けられているトランスデューサ31、32は、信号の検出頻度と位置情報から反射信号がどのあたりにどれくらいの頻度であるかを検出できる。   The transducers 31 and 32 provided so as to sandwich the horizontal pipe 12 in the vertical direction can detect the frequency of the reflected signal and how often the reflected signal is based on the signal detection frequency and the position information.

したがって、水平配管12の底部側に反射信号が多ければ粒子と判定し、上部側に反射信号が多ければ気泡と判定することができ、これらに基づき気体流量と粒子量とを個別に求めることが可能になる。   Therefore, if there are many reflection signals on the bottom side of the horizontal pipe 12, it can be determined as particles, and if there are many reflection signals on the upper side, it can be determined as bubbles, and based on these, the gas flow rate and particle amount can be obtained individually. It becomes possible.

なお、垂直配管11の外壁に垂直配管11を挟むようにして設けられているトランスデューサ21、22のみで気泡径を測定することもできる。
具体的には、以下の2通りが考えられる。
a)トランスデューサ21、22を用いて伝搬時間差法と反射相関法またはドップラー法をハイブリッドで動作させる方法(以下ハイブリッドで動作させる方法という)
b)トランスデューサ21、22の2つの検出端をそれぞれ異なる周波数を使って反射相関法またはドップラー法で測定する方法(以下異なる周波数で測定する方法という)
Note that the bubble diameter can be measured only by the transducers 21 and 22 provided so as to sandwich the vertical pipe 11 between the outer walls of the vertical pipe 11.
Specifically, the following two ways can be considered.
a) A method of operating the propagation time difference method and the reflection correlation method or the Doppler method in a hybrid manner using the transducers 21 and 22 (hereinafter referred to as a hybrid operation method).
b) A method of measuring the two detection ends of the transducers 21 and 22 by a reflection correlation method or a Doppler method using different frequencies (hereinafter referred to as a method of measuring at different frequencies).

これらの方法によれば、水平配管12にトランスデューサを取り付ける必要はなくなるので装置全体を簡略化できてコストダウンが図れるのに加え、水平配管と垂直配管が必要という配管上の制限がなくなるという効果も得られる。   According to these methods, it is not necessary to attach a transducer to the horizontal pipe 12, so that the entire apparatus can be simplified and the cost can be reduced. In addition, there is an effect that the restriction on the pipe that the horizontal pipe and the vertical pipe are necessary is eliminated. can get.

a)ハイブリッドで動作させる方法
超音波流量計は、流体の流速を、反射相関法またはドップラー法と伝搬時間差法で交互に測定することができる。反射相関法またはドップラー法が気泡からの反射信号を元に流速を算出するのに対し、伝搬時間差法は上流側下流側の超音波の伝搬時間差から流速を求めているので、流体そのものの流速を測定していることになる。
a) Method of operating by hybrid The ultrasonic flowmeter can measure the flow velocity of the fluid alternately by the reflection correlation method or the Doppler method and the propagation time difference method. Whereas the reflection correlation method or Doppler method calculates the flow velocity based on the reflected signal from the bubble, the propagation time difference method obtains the flow velocity from the ultrasonic propagation time difference on the upstream side and the downstream side. It is measuring.

図17も本発明の他の実施例を示す構成説明図であって、垂直配管11を利用して気泡の上昇速度を測定し気泡径を測定するものである。図17において、垂直配管11の外壁には、測定信号の送受を行い第1の流量測定手段20としての反射相関法またはドップラー法と伝搬時間差法が測定できる超音波流量計を構成するトランスデューサ21、22が垂直配管11を挟むようにして設けられている。   FIG. 17 is an explanatory diagram showing the configuration of another embodiment of the present invention. The vertical pipe 11 is used to measure the bubble rising speed and measure the bubble diameter. In FIG. 17, on the outer wall of the vertical pipe 11, a transducer 21 constituting an ultrasonic flowmeter capable of transmitting and receiving a measurement signal and measuring the reflection correlation method or the Doppler method and the propagation time difference method as the first flow rate measuring means 20, 22 is provided so as to sandwich the vertical pipe 11.

反射相関法またはドップラー法で求めた流速は、(流体の流速)+(気泡の浮力分の流速)になる。一方、伝搬時間差法で求めた流速は流体の流速になるので、2つの流速の差分は気泡の上昇速度を表すことになる。その後は、図11のフローチャートに則り、気泡径を算出する。   The flow velocity obtained by the reflection correlation method or the Doppler method is (fluid flow velocity) + (flow velocity corresponding to bubble buoyancy). On the other hand, since the flow velocity obtained by the propagation time difference method is the flow velocity of the fluid, the difference between the two flow velocities represents the rising speed of the bubbles. Thereafter, the bubble diameter is calculated according to the flowchart of FIG.

b)異なる周波数で測定する方法
図18も本発明の他の実施例を示す構成説明図である。図18において、垂直配管11の外壁には、駆動周波数の異なるトランスデューサ21、22が垂直配管11を挟むようにして設けられている。高周波数トランスデューサ21は、数百kHz〜数十MHz程度の超音波を発生することができ、低周波数トランスデューサ22は、数十kHz〜数MHz程度の超音波を発生することができる。
b) Method of measuring at different frequencies FIG. 18 is also an explanatory diagram of a configuration showing another embodiment of the present invention. In FIG. 18, transducers 21 and 22 having different driving frequencies are provided on the outer wall of the vertical pipe 11 so as to sandwich the vertical pipe 11. The high frequency transducer 21 can generate ultrasonic waves of several hundred kHz to several tens of MHz, and the low frequency transducer 22 can generate ultrasonic waves of several tens of kHz to several MHz.

高周波数トランスデューサ21は超音波の波長が短いので、浮力が無視できるような微小気泡からの反射信号を得ることができる。当然、大きい気泡からの信号も同時に得る。
一方、低周波数トランスデューサ22は波長が長いので、ある程度の大きさの気泡からしか反射信号を得ることができず、微小気泡は反射せずに透過してしまう。
Since the high frequency transducer 21 has a short ultrasonic wavelength, it is possible to obtain a reflection signal from the microbubbles with negligible buoyancy. Of course, a signal from a large bubble is also obtained.
On the other hand, since the low frequency transducer 22 has a long wavelength, a reflected signal can be obtained only from bubbles of a certain size, and the microbubbles are transmitted without being reflected.

図19は、周波数の異なるトランスデューサによる測定データの比較図である。各々の流速プロファイルを比較すると、図19(A)のようになる。低周波数トランスデューサ22で取得したプロファイルは、(本来の流体の流速)+(大きい気泡の浮力による流速)が測定される。   FIG. 19 is a comparison diagram of measurement data obtained by transducers having different frequencies. When the respective flow velocity profiles are compared, FIG. 19 (A) is obtained. The profile acquired by the low-frequency transducer 22 is measured as (original fluid flow velocity) + (flow velocity due to buoyancy of large bubbles).

これに対し、高周波数トランスデューサ21で取得したプロファイルは、(本来の流体の流速)+(微小気泡〜大きい気泡の浮力による流速)が測定される。そのため、低周波数トランスデューサ21でも、高周波数トランスデューサ22でも、本来の流体の流速よりはプラスに流速が計算されるが、高周波数での測定結果は、微小気泡からの反射信号を含んでいる分、低周波数の平均流速(大きい気泡のみの流速)よりは遅くなる。   On the other hand, the profile acquired by the high frequency transducer 21 is measured as (original fluid flow velocity) + (flow velocity due to buoyancy of microbubbles to large bubbles). Therefore, in both the low frequency transducer 21 and the high frequency transducer 22, the flow velocity is calculated more positively than the flow velocity of the original fluid, but the measurement result at the high frequency includes the reflected signal from the microbubbles, It is slower than the average flow velocity at low frequency (the flow velocity of only large bubbles).

反射相関法では、2つ以上の反射信号波形で相関の取れた有効なデータをカウントすることにより、図19(B)〜(D)に示すようなヒストグラムとして表すことができる。上記のように、高周波数トランスデューサと低周波数トランスデューサで得られた流速プロファイルのヒストグラムの中心値は、流速の平均値を表している。そのため、各々のヒストグラムを減算すると、その差分は微小気泡からの反射信号のみを表していることになる。微小気泡の浮上速度は無視できるほど小さいから、これを流体の速度とみなすことができる。   In the reflection correlation method, by counting effective data correlated with two or more reflected signal waveforms, it can be expressed as a histogram as shown in FIGS. As described above, the center value of the histogram of the flow velocity profile obtained by the high frequency transducer and the low frequency transducer represents the average value of the flow velocity. Therefore, when each histogram is subtracted, the difference represents only the reflected signal from the microbubbles. Since the rising speed of microbubbles is negligibly small, this can be regarded as the speed of the fluid.

以上から明らかなように、低周波数トランスデューサ22で得られた流速プロファイルを代表的な気泡径からの流速とし、ヒストグラムの差分で得られた微小気泡の流速を流体の流速とすることで、その平均流速の差から代表的な気泡の浮上速度を計算できる。後の過程は、図11と同様である。   As apparent from the above, the flow velocity profile obtained by the low-frequency transducer 22 is set as a flow velocity from a representative bubble diameter, and the flow velocity of the microbubbles obtained from the difference in the histogram is set as the flow velocity of the fluid. The typical bubble rising speed can be calculated from the difference in flow velocity. The subsequent process is the same as in FIG.

なお、水平配管での反射相関法による流量計測の代わりに、コリオリ流量計など他の流量計の液体流量計測結果を利用してもよい。   Note that the liquid flow measurement result of another flow meter such as a Coriolis flow meter may be used instead of the flow measurement by the reflection correlation method in the horizontal pipe.

また、気泡流モードでの信号減衰を、伝搬時間差法を利用して求めてもよい。
これは、図12の反射信号振幅プロファイルの取得から気泡量を算出する過程の変形になる。図20は伝搬時間差法の信号振幅の説明図であり、(A)は伝搬時間差法の概念図、(B)は信号振幅図である。図20に示すように、伝搬時間差法で観測される透過波の振幅は、気泡量が大きくなると小さくなる。この振幅の減少量から気泡量を求めることもできる。その場合、透過波形の振幅tは、透過光強度Tとの関係から、以下の(6)式で求める。
Moreover, you may obtain | require the signal attenuation | damping in bubble flow mode using a propagation time difference method.
This is a modification of the process of calculating the bubble amount from the acquisition of the reflected signal amplitude profile of FIG. FIG. 20 is an explanatory diagram of the signal amplitude of the propagation time difference method, (A) is a conceptual diagram of the propagation time difference method, and (B) is a signal amplitude diagram. As shown in FIG. 20, the amplitude of the transmitted wave observed by the propagation time difference method decreases as the amount of bubbles increases. The amount of bubbles can also be obtained from the amount of decrease in amplitude. In this case, the amplitude t of the transmission waveform is obtained by the following equation (6) from the relationship with the transmitted light intensity T.

透過波形の振幅から気泡量を求める場合は、反射振幅プロファイルの場合とは異なり、気泡が存在しないときの透過波形の振幅を予め知っておく必要がある。そこで、次の1)または2)のいずれかの方法で気泡が存在しないときの透過波形の振幅を求める。   When obtaining the bubble amount from the amplitude of the transmission waveform, unlike the case of the reflection amplitude profile, it is necessary to know in advance the amplitude of the transmission waveform when no bubble is present. Therefore, the amplitude of the transmission waveform when bubbles do not exist is obtained by either of the following methods 1) or 2).

1)(5)式より、振幅の絶対値を計算する。この場合I0は、配管条件によって決まる値であるため、データテーブルとして演算制御部40に格納しておくか、相応の計算式から算出する。 1) The absolute value of the amplitude is calculated from equation (5). In this case, since I 0 is a value determined by the piping conditions, it is stored in the arithmetic control unit 40 as a data table or calculated from a corresponding calculation formula.

2)より確実な方法として、気泡が存在しないときの透過波形の振幅を変換器のメモリーに残しておく方法がある。たとえば、プロセスが止まったとき(しばらく時間が経てば流体中に気泡が存在しなくなる)などに取得するのがよい。   2) As a more reliable method, there is a method in which the amplitude of the transmission waveform when there is no bubble is left in the memory of the converter. For example, it may be acquired when the process stops (after a while, the bubbles no longer exist in the fluid).

以上説明したように、本発明によれば、比較的安価で簡便な構成で、液体と気体および個体粒子などの流量をそれぞれ測定できる多相流流量計を実現できる。   As described above, according to the present invention, it is possible to realize a multiphase flow meter that can measure the flow rates of liquid, gas, solid particles, and the like with a relatively inexpensive and simple configuration.

10 管路
11 垂直配管
12 水平配管
20 第1の流量測定手段
21、22 トランスデューサ
30 第2の流量測定手段
31、32 トランスデューサ
40 演算制御部
50 ケーブル
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Pipe line 11 Vertical piping 12 Horizontal piping 20 1st flow measurement means 21, 22 Transducer 30 2nd flow measurement means 31, 32 Transducer 40 Operation control part 50 Cable

Claims (5)

垂直配管と水平配管が隣接した管路の前記垂直配管の外壁にこの垂直配管を挟むように設けられ測定信号の送受を行うトランスデューサで構成される第1の流量測定手段と、
前記水平配管の外壁にこの水平配管を挟むように設けられ測定信号の送受を行うトランスデューサで構成される第2の流量測定手段と、
これら第1の流量測定手段の測定信号と第2の流量測定手段の測定信号に基づき流量パラメータを演算する流量パラメータ演算手段、
とで構成されたことを特徴とする多相流流量計。
A first flow rate measuring means comprising a transducer provided so as to sandwich the vertical pipe between the vertical pipe and the horizontal pipe on the outer wall of the vertical pipe adjacent to the pipe;
A second flow rate measuring means comprising a transducer provided on the outer wall of the horizontal pipe so as to sandwich the horizontal pipe and transmitting and receiving a measurement signal;
A flow parameter calculation means for calculating a flow parameter based on the measurement signal of the first flow measurement means and the measurement signal of the second flow measurement means;
A multi-phase flow meter characterized by comprising
前記流量パラメータ演算手段は、前記第1の流量測定手段の測定信号と第2の流量測定手段の測定信号の流速を比較して気泡の有無と粒子の有無を判断することを特徴とする請求項1に記載の多相流流量計   The flow rate parameter calculation means compares the flow rate of the measurement signal of the first flow rate measurement means and the measurement signal of the second flow rate measurement means to determine the presence or absence of bubbles and the presence or absence of particles. The multiphase flow meter according to 1 前記流量パラメータ演算手段は、さらに、気泡径と気泡個数を演算することを特徴とする請求項2に記載の多相流流量計。   The multiphase flow flow meter according to claim 2, wherein the flow rate parameter calculating means further calculates a bubble diameter and a number of bubbles. 前記流量パラメータ演算手段は、さらに、粒子径と粒子個数を演算することを特徴とする請求項2に記載の多相流流量計。   The multi-phase flow meter according to claim 2, wherein the flow parameter calculation means further calculates a particle diameter and a number of particles. 第1の流量測定手段および第2の流量測定手段の測定信号は、超音波信号であることを特徴とする請求項1に記載の多相流流量計。   The multiphase flow meter according to claim 1, wherein the measurement signals of the first flow rate measuring means and the second flow rate measuring means are ultrasonic signals.
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