JP6429863B2 - 砂分離装置の境界検出 - Google Patents

Description

発明の分野
以下に記載の実施形態は、砂分離装置に関し、特に液体/固体の境界を検出する改善された砂分離装置に関する。

背景
分離技術はテスト分離装置又は生産分離装置であり、世界中の井戸で一般的に用いられる。例えば、砂制御の最終段階に用いられる分離装置は特に砂で充填しがちである。この問題は沖合での取り付けに関して問題となり、掃除の為に生産を停止することは著しく生産を遅延させ、関連する経済的損失を引き起こす。

大量の砂が手近に工程の一部として予想される場合(例えば水圧破砕、砂制御用途、又は砂用途)、砂分離装置はまたしばしばテスト装置又は製造設備を保護する為である。分離装置にて砂蓄積の以前に警告することは、休止時間及び生産の遅延を最小にするのに重要であり、定期的な分離装置のメインテナンスの計画及び予定によって一般的に達成される。

例として、メタン又は天然ガスの探査は、天然ガスを産出すると予想される地下の岩形成部内に直に高圧の流体(大部分は砂入り水)を注入することを含む。水圧破砕手順において、水圧は岩石層を破砕し、取り込まれた天然ガスは井戸の孔に逃げ、表面にて捕捉される。水圧破砕物は探査井戸から回収され、通常はトラックにて離れた処分場所に運搬することにより処分される。この流体は可成りの量の破砕した砂を含む。砂は開いた割れ目を保持するのに役立ち、地層内からの天然ガスの逃げを最大にするのに用いられる。破砕された砂はまた、岩形成部を洗浄し刻み目を入れて(etch)、最大のガス搬送を促す。破砕した流体内の砂は、岩形成部に全ては留まっておらず、幾らかは「フローバック」と呼ばれて、井戸から面に戻る。フローバック流体は岩層から流れた沈泥及び岩の破片と同様に、可成りの量の注入された破砕砂を含む。そのような砂及び破片は、パイプ、バルブ、ポンプ及びシステムの他の部分を詰まらせ又は損傷する。砂分離装置は、これらの粒子がシステムを詰まらせ又は損傷することを阻止するが、砂分離装置が機能する範囲のみである。これは、砂分離装置の１つの使用を示す例としてのみ付与される。

一般に、砂分離装置は、液体/固体の混合物から砂又は他の固体を分離するのに用いられ、砂分離装置を引き続いて動作させるために、砂分離装置内に砂のレベルの信頼できる表示が必要である。砂のレベルが正確に計算されないと、砂分離装置が過充填(over-fill)するリスクがある。一旦、過充填すると、一般的な救済方法は手元で工程を止め、砂分離装置から砂及び破片を手動で空にすることである。勿論、そのような修正動作中に、砂分離装置も該砂分離装置に取り付けられた生産設備も使用不可能であり、このように設備は生産停止時間及び関連する財政的損失を被る。

砂分離装置の目詰まりを除去し又は減じる手段へのニーズがある。以下に記載された実施形態はこれら及び他の問題を克服し、当該技術分野の進歩が達成される。以下に記載の実施形態は、振動式メータを有して収集室内の砂レベルを検知する砂分離装置を提供する。
振動式デンシトメータ及び振動式粘度計のような振動式メータは、一般的に測定されるべき流体材料の存在下に、振動する振動要素の動きを検知することにより作動する。密度、粘度、温度等の流体材料に関連する特性は、振動要素に関連した動きトランスデューサから受信する測定信号を処理することにより決定される。振動要素システムの振動モードは一般的に振動要素及び周りの流体材料の結合された質量、剛性及び減衰特性によって影響される。

振動式密度計又は振動式粘度計の一例は、振動要素原理で作動し、振動要素は測定されるべき流体に浸される細長い音叉構造である。従来の音叉構造は２つの歯から成り、一般的には平坦又は環状の断面であり、横梁に取り付けられ、更に取付け構造に取り付けられる。音叉構造は例えばピエゾ電気結晶のようなドライバによって振動に励起され、該ドライバは第１歯の根元にて内面に取り付けられている。振動の周波数は第２歯の根元に取り付けられる第２のピエゾ電気結晶によって検知される。トランスデューサセンサはメータ電子機器と共に位置する増幅回路により、周囲の流体によって修正されて第１の共振周波数にて駆動される。

音叉構造が流体に浸され、共振周波数で励起されるとき、音叉構造はその歯の動きによって流体を動かす。振動の共振周波数は、これらの面が抗して押す流体の密度によって強く影響され、一方、流体の粘度は帯域幅に可成り大きな影響がある。流体の粘性が変わると、全体的な減衰力が変わり、帯域幅が変わり、それとともにセンサの「Q」又は線質係数が変わる。電子回路はセンサを励起して、周波数応答カーブ上の２つの位置で交互に振動させ、これをする際に、共振装置の線質係数(Q)は共振振動数と同様に決定される。
周波数応答カーブと関係する一定の期間の測定によって、流体の粘性は計算され得る。

特に、流体の粘度は、結合した流体及び振動式センサの共振振動数ω０以上及び以下の周波数ω１及びω２にて、振動応答を生成することにより測定される。共振周波数ω１では、位相差φ０は約９０度である。２つの周波数ポイントω１及びω２は、駆動周波数として定義され、駆動信号の位相と振動信号の位相は夫々位相差φ１とφ２だけ異なる。位相差φ１は駆動信号の位相と振動信号の位相との間の位相差が例えば約１３５度であるポイントとして規定される。位相差φ２は駆動信号の位相と振動信号の位相との間の位相差が例えば約４５度であるポイントとして規定される。

２つの周波数ポイントω１及びω２の間の距離(即ち、ω１及びω２の間の周波数の差)は項目Ｑを決定するのに用いられ、項目Qは粘度に比例し、以下の公式によって近似される。
粘度≒Ｑ＝ω０/(ω１―ω２)
共振周波数ω０は２つの周波数ポイントω１及びω２の中心に位置する。従って、共振周波数ω０は以下のように規定される。
ω０≒０.５＊(ω１+ω２)

周波数ポイントω１及びω２は、センサ要素が特性を明らかにすべき流体と相互作用するときに、動作中に決定される。周波数ポイントω１及びω２を適切に決定すべく、駆動システムは閉ループ駆動を用いて、センサ要素を２つの位相差ポイント(φ１及びφ２)の間で行き来するように駆動して、これらのポイントにて振動周波数ω１及びω２を記録する。閉ループ駆動を用いることにより、従来技術の駆動システムは、振動周波数ω１及びω２が決定されると、位相差測定が安定であることを確実にする。これは、メータ電子機器によって粘度を演算するのに位相が如何に使用されるかの例として役立つ。
振動式メータを砂分離装置の砂収集容器内に向け、ピックオフセンサの信号強さ及び/又は信号位相差内の変化を測定することにより、ここに開示されているように、砂分離装置の液体/固体の境界は検知可能になる。

発明の要約
実施形態に従って、分離室と排出管を含む砂分離装置が提供される。実施形態に従って、砂分離装置は分離室の内面と流体が連通するように繋がったメータを備え、該メータは液体/固体の境界を検知するように構成される。砂分離装置は更に、メータと電気的に繋がり、該メータから信号を受信するように構成されたメータ電子機器を備える。

実施形態に従って、分離室と排出管を含む砂分離装置が提供される。実施形態に従って、砂分離装置は液体/固体の境界を示すように構成された分離室の内面と流体が連通するように繋がった振動式フォークデンシトメータを備える。砂分離装置はまた、振動するように構成されたフォークデンシトメータの振動要素を備える。更に、砂分離装置は駆動信号を受信するように構成されたドライバを備え、該ドライバは更に振動要素を振動させるように構成され、また、振動要素の振動を検知し検知された振動を表すピックオフ信号を生成するように構成されたピックオフセンサを備える。砂分離装置は更に、フォークデンシトメータと電気的に繋がったメータ電子機器を備え、該メータ電子機器はドライバに駆動信号を付与し、フォークデンシトメータからピックオフ信号を受信するように構成されている。

実施形態に従って、砂分離装置内の液体/固体の境界を検知する方法が提供される。実施形態に従って、方法は砂分離装置内に位置する振動要素を振動させる工程と、振動要素の振動応答を測定する工程と、振動応答と基準値とを比較する工程と、砂分離装置内の液体/固体の境界のレベルを検知する工程を備える。
実施形態に従って、砂分離装置内の液体/固体の境界を検知する方法が提供される。実施形態に従って、方法は砂分離装置内に振動式メータを置く工程と、振動要素と該振動要素を囲む流体の共振周波数にて振動式メータの振動要素を振動させる工程と、振動式メータのピックオフセンサから信号を受信する工程と、液体/固体の境界の存在を検知する工程を備える。

態様
態様に従って、分離室と排出管を含む砂分離装置は、分離室の内面と流体が連通するように繋がり、液体/固体の境界を検知するように構成されたメータと、該メータに電気的に繋がって該メータから信号を受信するように構成されたメータ電子機器を含む。
メータは液体/固体の境界の所望の最大レベルに対応した分離室内のレベルに接近して位置するのが好ましい。

メータは振動式メータであるのが好ましい。
振動式メータはデンシトメータであるのが好ましい。
砂分離装置は更に、振動要素と、該振動要素を振動させるように構成されたドライバと、振動要素の振動を検知するように構成されたピックオフセンサを備えるのが好ましい。
センサからの信号はピックオフセンサの信号強さであるのが好ましい。
信号強さは電圧であるのが好ましい。
メータからの信号はドライバに付与される駆動信号とピックオフセンサから受信するピックオフ信号の間の位相差であるのが好ましい。
排出管は遠隔で作動可能であるのが好ましい。
ドライバはピエゾ電気要素を備え、ピックオフセンサはピエゾ電気要素を備えるのが好ましい。

態様に従って、分離室と排出管を含む砂分離装置は、
分離室の内面と流体が連通するように繋がり、液体/固体の境界を示すように構成された振動式フォークデンシトメータと、
振動するように構成されたフォークデンシトメータの振動要素と、
駆動信号を受信するように構成され、振動要素を振動させるように構成されたドライバと、
振動要素の振動を検知して、検知された振動を表すピックオフ信号を生成するピックオフセンサと、
フォークデンシトメータと電気的に繋がって、ドライバに駆動信号を付与し、フォークデンシトメータからピックオフ信号を受信するように構成されたメータ電子機器とを備える。
ピックオフ信号はピックオフセンサの信号強さであるのが好ましい。

ピックオフ信号の強さは電圧であるのが好ましい。
メータ電子機器は、駆動信号とピックオフ信号の間の位相差を演算するのが好ましい。
砂分離装置は更に、砂分離装置から材料を放出するように構成された排出管を含むのが好ましい。
排出管はメータ電子機器によって作動可能なバルブを備えるのが好ましい。

態様に従って、砂分離装置内の液体/固体の境界を検知する方法は、
砂分離装置内に位置する振動要素を振動させる工程と、
振動要素の振動応答を測定する工程と、
振動応答と基準値とを比較する工程と、
砂分離装置内の液体/固体の境界のレベルを検知する工程を備える。
方法は更に、振動応答の強さが所定の閾値以下であれば、砂分離装置内の液体/固体の境界の存在を示す工程を備えるのが好ましい。

方法は更に、振動応答と基準値との間の位相差が所定の閾値以下であれば、砂分離装置内の液体/固体の境界の存在を示す工程を備えるのが好ましい。
方法は更に、液体/固体の境界が所定レベルを超えていれば、砂分離装置から固体を出す工程を備えているのが好ましい。
方法は更に、砂分離装置の排出管を開く工程を備えているのが好ましい。

態様に従って、砂分離装置内の液体/固体の境界を検知する方法は、
砂分離装置内に振動式メータを置く工程と、
振動要素と該振動要素を囲む流体の共振周波数にて振動式メータの振動要素を振動させる工程と、
振動式メータのピックオフセンサから信号を受信する工程と、
液体/固体の境界の存在を検知する工程を備える。
方法は更に、駆動信号とピックオフ信号との間で一定の位相差を維持する工程を備えるのが好ましい。

一定の位相差は約４５°であるのが好ましい。
方法は更に、振動式メータが駆動信号とピックオフ信号の間の一定の位相差を維持することが出来ないときを示す工程を備えるのが好ましい。
方法は更に、駆動信号とピックオフ信号の間の位相差が、一定の位相差から所定量より大きく変動する時を示す工程を備えるのが好ましい。
方法は更に、振動要素が振動を止めるときを示す工程を備えるのが好ましい。

方法は更に、振動応答の強さが所定の閾値以下であれば、砂分離装置内の液体/固体の境界の存在を示す工程を備えるのが好ましい。
強さは電圧であるのが好ましい。
方法は更に、液体/固体の境界が検知されたならば、砂分離装置から固体を出す工程を備えているのが好ましい。
方法は更に、砂分離装置の排出管を開く工程を備えているのが好ましい。

同じ符号は全ての図面上の同じ要素を表す。図面は必ずしも縮尺通りではない。
図１は、従来技術の砂分離装置を示す。 図２は、振動式デンシトメータの実施形態を示す。 図３は、液体/固体の境界検知器を備えた砂分離装置の実施形態を示す。 図４は、液体/固体の境界検知器を備えた砂分離装置の使用中を示すグラフである。 図５は、液体/固体の境界検知器を備えた砂分離装置の使用中を示すグラフである。

図１−図５及び以下の記述は特定の例を記載して、砂分離装置及び関連する方法の最良のモードの実施形態を作り使用する方法を当業者に開示する。進歩性を有する原理を開示する目的で、いくつかの従来の態様は単純化されたか省略された。
当業者は、これらの例示から本発明の範囲内にある変形例を理解するだろう。当業者は、下記に述べられた特徴が種々の方法で組み合わされて、本発明の多数の変形例を形成することを理解するだろう。その結果、本発明は、下記に述べられた特定の例にではなく特許請求の範囲とそれらの等価物によってのみ限定される。

図１は、従来技術の砂分離装置１００を示す。混合物の固体相から液体相を分離する目的で、入口ポート１０２により液体/固体の混合物が砂分離装置１００内に入ることが出来る。一般的に、水内にて運ばれる砂、堆積物、破片(総称して「固体」)は水から分離される。しかし、本実施形態によって他の液体及び固体も考えられ、液体を構成する流体の範囲を限定すると考えられる例はここには付与されるべきではない。流体はガスを含み得る。或いは、流体はガスが混入した液体、固体が混入した液体、多相液体又はそれらの組み合わせのような多相流体を含み得る。

入口ポート１０２は、砂分離装置１００の頂部領域１０４に接近して位置して、垂直軸から離れており、混合物は幾分が接線方向に砂分離装置１００に入り、分離室１０６の内側で環状の流れパターンが生成される。この流れパターンは遠心力によって、重い固体を分離室１０６の内面１０８に運搬する。固体は砂分離装置１００の底領域１１０に向けて落ち、最終的に固体保持領域１１２内に落下する傾向がある。固体保持領域１１２は本実施形態では、単なる砂分離装置１００の底領域１１０の一部である。他の実施形態にて、砂収集用の分離室が考えられる。固体が殆ど無い液体が導管１１４を通って引き込まれ、出口ポート１１６を通って砂分離装置１００から出る。蓄積された固体を除去するために、排出管１１８が固体室１１２の近傍に位置して、これらの固体を解放すべく開かれる。排出管はバルブを備える。当業者に明らかなように、蓄積した固体が特定の砂分離装置１００の特定のレベルを超えれば、砂分離装置１００は塞がれ、固定は手動で流れ工程上にはないやり方で排除され、それにより、そのような工程を中断させる。

砂分離装置１００内の液体/固体の境界を検知すべく、実施形態は振動式メータ１２０を用いる。図２は、振動式メータ１２０を示している。振動要素１２２(一般的に「フォーク」又は「歯」を有する)が駆動されて、ドライバ１２４によって周波数にて振動する。振動要素１２２を備えたピックオフセンサ１２６が振動要素１２２の振動を検知する。メータ電子機器１２８がドライバ１２４及びピックオフセンサ１２６に接続されている。フォーク又は歯の無い振動式メータもまた考えられる。

メータ電子機器１２８は、リード１３０を介して振動要素に電気的パワーを付与する。リード１３０はデータ、パワー等用の電源供給(図示せず)、メータ電子機器１２８又は他の制御またはコンピュータデバイスからの接続を備えている。メータ電子機器１２８は、リード１３０を介して、振動式メータ１２０及び振動要素１２２の動作を制御することが出来る。例えば、メータ電子機器１２８は駆動信号を生成し、駆動信号をドライバ１２４に供給し、振動要素１２２は該駆動信号を用いて個々の歯のような１以上の振動要素に振動を生成するように駆動される。駆動信号は振幅を制御し、及び/又は振動周波数を制御する。駆動信号はまた、振動期間及び/又は振動タイミング又は位相を制御する。

メータ電子機器１２８は、リード１３０を介して振動要素１２２から振動信号を受信する。メータ電子機器１２８は、振動信号を処理して、例えば密度測定又は粘度測定を行う。他の又は更なる測定が振動信号から生成され得ることは理解されるべきである。一実施形態にて、メータ電子機器１２８は、振動要素１２２から受信した振動信号を処理して、信号の周波数を決定する。周波数は振動要素/流体の共振周波数を含み、該共振周波数は流体の密度又は粘度を決定するのに用いられる。関連する実施形態において、メータ電子機器１２８からの信号は処理の為に、他のコンピュータ又は処理デバイスに送信される。

メータ電子機器１２８はまた、振動信号を処理して、粘度又は例えば流体の流速を決定すべく処理され得る信号間の位相シフトのような流体の他の特性を決定する。液体内に浮遊する固体の存在及び液体/固体の境界のような他の振動応答特性及び/又は流体測定が考えられ、これらは記載及び特許請求の範囲内である。メータ電子機器１２８は更に、インターフェイス１３２に連結され、メータ電子機器１２８はこのインターフェイス１３２を介して通信する。メータ電子機器１２８は受信した振動信号を処理して、測定値を生成し、インターフェイス１３２を介して測定値を通信する。更に、メータ電子機器１２８はコマンド、更新、作動値又は作動値の変更及び/又はプログラム更新又は変更のような情報をインターフェイス１３２を介して受信する。更に、インターフェイス１３２は、メータ電子機器１２８と遠隔処理システム(図示せず)との間の通信を可能にする。インターフェイス１３２は、例えば4-20ma、HART(登録商標)、Modbus、Fieldbus(登録商標)等のようなあらゆる方法の電子的、光学的又は無線の通信であり得て、これらに限定されない。

実施形態にて、各ドライバ１２４及びピックオフセンサ１２６は、ピエゾ電気結晶要素を備える。ドライバ１２４及びピックオフセンサ１２６は、振動要素１２２の第１歯１２２A及び第２歯１２２Bに隣接して位置する。ドライバ１２４及びピックオフセンサ１２６は、第１歯１２２A及び第２歯１２２Bに接し、機械的に相互作用するように構成されている。特に、ドライバ１２４は第１歯１２２Aの少なくとも一部に接触している。ドライバ１２４は、駆動信号又はメータ電子機器１２８によって付与される基準信号を受けたときに、拡張し収縮する。その結果、ドライバ１２４は交互に撓み、従って振動動作で(点線参照)側方から側方へ第１歯１２２Aを移動させ、流体を周期的に往復運動する方法で攪乱する。
第２歯の振動は、ピックオフセンサ１２６によって対応する電気信号が生成される原因となる。ピックオフセンサ１２６は振動信号をメータ電子機器１２８に送信する。メータ電子機器１２８は振動信号を処理して、振動信号の振幅及び/又は周波数を測定する。メータ電子機器１２８はまた、ピックオフセンサ１２６からの信号の位相をメータ電子機器１２８からドライバ１２４に付与される基準信号の位相と比較する。メータ電子機器１２８はまた、インターフェイス１３２を介して振動信号を送信する。

振動式メータ１２０は少なくとも一部が、特性を明らかにすべき流体内に浸される。例えば、振動式メータ１２０はパイプ又は導管に取り付けられる。振動式メータ１２０は、タンク又は容器又は流体を保持する構造内に取り付けられる。振動式メータ１２０は、マニホールド又は流体流れを向ける同様の構造内に取り付けられる。好ましい実施形態にて、振動式センサは、振動要素１２２が砂分離装置１００の分離室１０６の内部に突出するように取り付けられる。他の取付け構成が考えられるが、しかし、これらは記載及び特許請求の範囲内である。

図３は、液体/固定の境界レベルを示すメータ１２０を備えた砂分離装置１００の実施形態を示す。メータ１２０は、固体/液体の境界を感知するのに必要なメータ１２０の一部が、分離室１０６の内側に配備されるように、分離室１０６内に置かれる。実施形態にて、振動式メータ１２０は振動式メータである。関係する実施形態にて、メータ１２０は振動式フォークデンシトメータである。この場合にて、振動要素１２２は分離室１０６内に突出し、振動要素１２２の歯１２２A、１２２Bは流体と接触することが出来る。

液体は接線方向に砂分離装置１００の入口ポート１０２に入り、環状の流れパターンが分離室１０６の内側で生成される。この流れパターンは遠心力によって固体を分離室１０６の内面１０８に向けて押し、固体は砂分離装置１００の底領域１１０に向けて落ちる傾向にあり、最終的に固体保持領域１１２に落下する。分離室１０６の底部の排出管１１８は開かれて、固体は砂分離装置１００から排出される。固体のレベルがあまりにも上昇すると、砂分離装置１００は詰まり、操作不可能になる。実施形態において、メータ１２０は、液体/固体の境界の所望の最大レベルに対応した分離室１０６の位置に位置する。液体/固体の境界がこのレベルに上昇すれば、メータ１２０は境界を検知する。

実施形態にて、排出管１１８は遠隔操作可能であり、電気的信号、電子的信号、空圧的信号、水圧的信号又は同様の信号により排出管１１８が開かれる。実施形態にて、液体/固体の境界が所定の最大所望レベルに達すると、メータ１２０はメータ電子機器１２８を介してこの境界を検知し、排出管１１８と通信して、砂分離装置１００内の中身の固体の少なくとも一部が排出されるように排出管１１８が作動する。特に、メータ電子機器１２８は液体/固体の境界の存在を示す信号をメータ１２０から受信し、これはメータ電子機器１２８によって処理されて、該メータ電子機器１２８は砂分離装置を開いて出す信号を排出管１１８に送信する。

実施形態にて、メータ１２０はデンシトメータ(密度計)であり、関連する実施形態にて、メータは振動式フォークデンシトメータである。デンシトメータは分離室１０６内に突出する振動要素１２２を有し、振動要素１２２はドライバ１２４によって振動するように駆動され、ピックオフセンサ１２６は振動を検知する。振動式フォークデンシトメータの場合、第１歯１２２Aはドライバ１２４によって振動するように駆動され、第２歯１２２Bはピックオフセンサ１２６に振動を伝える。何れの場合も、メータ電子機器１２８は駆動信号又は基準信号をドライバ１２４に付与して、振動がそれによって検知されたことを表す信号をピックオフセンサ１２６から受信する。ピックオフセンサ１２６からの信号は、メータ電子機器(又はインターフェイス１３２に中継され)によって分析され、特に液体/固体の境界を示す。

実施形態にて、メータ電子機器１２８は信号の強さを示す信号をピックオフセンサ１２６から受信する。実施形態にて、信号の強さは電圧によって測定される。振動要素１２２が主に液体相に浸される場合、歯１２２A、１２２Bは振動して、ピックオフセンサ１２６は例えば約４ｍＶと２０ｍＶの間の電圧を出力するが、これに限定されない。他の電圧及び電圧範囲が考えられ、ここに記載された何も電圧を例証されたものに制限することとして解釈されない。砂分離装置１００内に蓄積される固体故に、液体/固体の境界が上昇すると、第１歯１２２A及び第２歯１２２Bは、ますます低い震度で振動し、このようにピックオフセンサ１２６は、例えば４ｍＶ以下の電圧のような低い電圧を出力する。歯１２２A、１２２Bがますます固体によって覆われるにつれ、出力は低くなり、達しなくとも０ｍＶに近づく。これが起きると、出力電圧の低下に加えて、電圧読み取りの不安定さが検知される。出力はデジタル信号を含む。出力は例えば較正係数を用いて修正される。メータ電子機器１２８は低い電圧及び/又は不安定性の増加を検知し、砂分離装置１００に排出管１１８を開くように信号を送る。排出管１１８の開きを開始する閾値電圧は、メータ電子機器１２８に格納され、生産時に工場によって予め決められ且つ設定され、及び/又はユーザが調整可能である。一旦固体が排出されると、メータ１２０は主に液体相の存在を示す電圧を出力し、排出管１１８を閉じるように制御する。排出管１１８が開きを維持する時間量は、予め設定され、又はメータ１２０のパラメータに、又はその両方に基づく。自動化されていない排出管が作動する実施形態にて、メータ１２０又はメータ電子機器１２８はユーザに排出管１１８が開くべきか閉じるべきかの警告を送信する。

他の実施形態において、位相差が液体/固体の境界を検知するのに用いられる。特に、メータ電子機器１２８はドライバ１２４に信号を送り、振動要素１２２を振動させる。振動は周囲の媒体内における振動要素の共振周波数である。媒体の密度又は粘度が変化すれば、共振周波数と帯域幅も変化する。従って、振動要素１２２の共振周波数は、媒体内の固体の割合が境界レベルとともに増加する故に、液体/固体の境界に近づくにつれて変化する。固体が振動要素１２２を覆うにつれ、振動応答は変わり、振動要素１２２は最終的には埋められて、完全に振動を止める。

メータ電子機器１２８はドライバ１２４に信号を送って振動要素１２２を特定の周波数で振動させる。メータ電子機器１２８は次に、ピックオフセンサ１２６からの信号を検知し、ピックオフセンサ１２６からの信号とドライバ１２４に送信された基準信号との間の一定の位相差を閉ループの方法で維持する。
好ましい実施形態にて、一定の位相差は約４５°である。しかし、位相差の他の度も考えられる。位相差を維持する間に、少なくとも１つの駆動周波数(ω)が測定されて、メータ電子機器１２８は流体の密度及び他の流体特性を演算する。液体/固体の境界が上昇して振動要素に接触すると、ドライバ１２４は駆動信号とピックオフセンサ信号の間の一定の位相差を維持する周波数で駆動されることが出来ず、これは固体が振動要素１２２に干渉することによる。これは最初は駆動信号とピックオフセンサ信号の間の位相差が不安定になり、最終的に一定ポイントから変動する。位相差がドリフトするので、メータ電子機器はこれを液体/固体の境界の存在と解釈する。実施形態にて、メータ電子機器１２８がこの位相ドリフトを検知すると、砂分離装置１００は排出管１１８を開くように信号を出す。排出管１１８の開きを開始する位相差の閾値は、メータ電子機器１２８に格納されており、生産時に工場によって予め決められ且つ設定され、及び/又はユーザが調整可能である。
一旦固体が略排出されると、メータ１２０は主に液体相の存在を示す格納された一定の位相差を出力し、排出管１１８を閉じるように信号を出す。バルブ１１８が開きを維持する時間量は、予め設定され、又はメータ１２０のパラメータに、又はその両方に基づく。自動化されていない排出管が作動する実施形態にて、メータ１２０はユーザに排出管１１８が開くべきか閉じるべきかの警告を送信する。

図４は、砂分離装置１００に組み込まれた振動式メータ１２０用のデータを示し、砂分離装置１００内にシャープサンド(sharp sand)が導入される。シャープサンドは第１ポイント４００にて砂分離装置１００内に導入される。第２の時間ポイント４０２にて、液体/固体の境界は最初にメータ１２０によって検知される。このポイントにて振動要素１２２は、液体/固体の境界が上がるにつれ、ますます大きな割合の砂と接触する。ピックオフセンサの出力４０４は、下がる出力電圧を示すことによりこれを反映する。メータの出力４０６(この例では密度として測定される)は、同時にピックオフセンサの出力４０４の関数として減少する。
第３の時間ポイント４０８にて、振動要素１２２はシャープサンドによって略埋められ、振動要素１２２は、ピックオフセンサの出力４０４が事実上約０ｍＶであるポイントまで減衰される。勿論、これは減少するメータの出力４０６によって反映される。

図５は、砂分離装置１００に組み込まれた振動式メータ１２０用の同様のデータを示し、砂分離装置１００内にファインサンド(fine sand)が導入される。ファインサンドは第１ポイント５００にて砂分離装置１００内に導入される。第２の時間ポイント５０２にて、更なる砂が中止される。このポイントにおける振動要素１２２は、砂分離装置１００の液体/固体の混合物の主な液体相と相互作用する。ピックオフセンサの出力４０４は安定した出力電圧を示すことによりこれを反映する。メータの出力４０６(この例では密度として測定される)は、同時にピックオフセンサの出力４０４の関数として、安定を維持する。第３の時間ポイント５０４にて、砂の追加が再開され、液体/固体の境界はメータ１２０によって最初に検知される。この点における振動要素１２２は液体/固体の境界が上がるにつれ、ますます大きな割合の砂と接触する。ピックオフセンサの出力４０４は、下がる出力電圧を示すことによりこれを反映する。メータの出力４０６は、同時にピックオフセンサの出力４０４の関数として減少する。第４の時間ポイント５０６にて、振動要素１２２はファインサンドによって埋められて、振動要素１２２は、ピックオフセンサの出力４０４が事実上約０ｍＶであるポイントまで減衰される。勿論、これは減少するメータの出力４０６によって反映され、また減少し不安定な読み取りを示す。

上記の実施形態の詳細な記述は、本発明の範囲内にある発明者によって熟考された全ての実施形態の完全な記述ではない。実際に当業者は、さらに実施形態を作成するために上記実施形態のある要素が種々に組み合わせられるかもしれないし除去されるかもしれないことを認識している、そしてそのような、さらなる実施形態は現在の記述の範囲及び開示の範囲内にある。本発明の開示の範囲内にある追加の実施形態を作成するために、上記実施形態の全部或いは一部が組み合わせられるかもしれないことも当業者には明白である。
従って、本発明の特定の実施形態が説明の目的のためにここに記述されているが、当業者が認識するように、様々な等価な修正は本発明の範囲内で可能である。ここに提供される開示は、他のデバイス及び方法に適用可能であり、上記に記載され添付の図面に示された実施形態だけではない。従って、上記の実施形態の範囲は、添付の特許請求の範囲から決定されるべきである。

Claims (20)

1. 流体を保持するように構成された内面を有する分離室(１０６)、及び排出管(１１８)を含む砂分離装置(１００)であって、
   分離室の内面と流体が連通するように繋がり、液体/固体の境界を検知するように構成された振動式メータ(１２０)であって、振動要素(１２２)を振動させるように構成されたドライバ(１２４)と、前記振動要素(１２２)の振動を検知するように構成されたピックオフセンサ(１２６)とを備える振動式メータ(１２０)と、
   該振動式メータ(１２０)に電気的に繋がって該振動式メータ(１２０)から信号を受信するように構成されたメータ電子機器(１２８)を備え、
   前記振動式メータ(１２０)からの信号はドライバ(１２４)に付与される駆動信号と前記ピックオフセンサ(１２６)から受信するピックオフ信号の間の位相差であり、
   前記メータ電子機器(１２８)は、振動式メータが駆動信号とピックオフ信号の大凡４５°である一定の位相差を維持できないときを示すように構成された、砂分離装置(１００)。
2. 前記振動式メータ(１２０)は液体/固体の境界の所望の最大レベルに対応した分離室(１０６)内のレベルに接近して位置する、請求項１に記載の砂分離装置(１００)。
3. 前記振動式メータは、デンシトメータ及び粘度計の少なくとも１つである、請求項２に記載の砂分離装置(１００)。
4. 前記排出管(１１８)は遠隔で作動可能である、請求項１に記載の砂分離装置(１００)。
5. 前記ドライバ(１２４)はピエゾ電気要素を備え、前記ピックオフセンサ(１２６)はピエゾ電気要素を備える、請求項１に記載の砂分離装置(１００)。
6. 流体を保持するように構成された内面を有する分離室(１０６)、及び排出管(１１８)を含む砂分離装置(１００)であって、
   該分離室(１０６)の内面と流体が連通するように繋がり、液体/固体の境界を示すように構成された振動式フォークデンシトメータ(１２０)であって、駆動信号を受信するように構成され、更に振動要素(１２２)を振動させるように構成されたドライバ(１２４)と、前記振動要素(１２２)の振動を検知して、検知された振動を表すピックオフ信号を生成するピックオフセンサ(１２６)とを備えた振動式フォークデンシトメータ(１２０)と、
   振動するように構成されたフォークデンシトメータ(１２０)の振動要素(１２２)と、
   前記フォークデンシトメータ(１２０)と電気的に繋がって、ドライバ(１２４)に駆動信号を付与し、前記フォークデンシトメータ(１２０)からピックオフ信号を受信するように構成され、駆動信号とピックオフ信号の位相差を演算するメータ電子機器(１２８)とを備え、
   前記メータ電子機器(１２８)は、前記フォークデンシトメータ(１２０)が大凡４５°である駆動信号とピックオフ信号の間の一定の位相差を維持できないときを示すように構成された、砂分離装置(１００)。
7. 前記ピックオフ信号は、ピックオフセンサ(１２６)の信号強さである、請求項６に記載の砂分離装置(１００)。
8. 前記ピックオフ信号の強さは、電圧である、請求項７に記載の砂分離装置(１００)。
9. 更に、砂分離装置(１００)から材料を放出するように構成された排出管(１１８)を含む、請求項６に記載の砂分離装置(１００)。
10. 前記排出管(１１８)は前記メータ電子機器(１２８)によって作動可能なバルブを備える、請求項９に記載の砂分離装置(１００)。
11. 砂分離装置内の液体/固体の境界を検知する方法であって、
    砂分離装置内に位置する振動要素を振動させる工程と、
    該振動要素の振動応答を測定する工程と、
    振動応答と振動応答の基準値とを比較する工程と、
    振動応答と振動応答の基準値の位相差が所定の差を超えると、砂分離装置内の液体/固体の境界の存在を示す工程とを備える、方法。
12. 更に、振動応答の強さが所定の閾値以下であれば、前記砂分離装置内の液体/固体の境界の存在を示す工程を備える、請求項１１に記載の砂分離装置における液体/固体の境界を検知する方法。
13. 更に、液体/固体の境界が所定レベルを超えていれば、前記砂分離装置から固体を排出する工程を備えている、請求項１１に記載の砂分離装置における液体/固体の境界を検知する方法。
14. 液体/固体の境界が所定レベルを超えていれば、前記砂分離装置から固体を排出する工程は更に、砂分離装置の排出管を開く工程を備えている、請求項１３に記載の砂分離装置における液体/固体の境界を検知する方法。
15. 砂分離装置内の液体/固体の境界を検知する方法であって、
    砂分離装置内に振動式メータを置く工程と、
    振動要素と該振動要素を囲む流体の共振周波数にて、前記振動式メータの前記振動要素を振動させる工程と、
    振動式メータのピックオフセンサから信号を受信する工程と、
    駆動信号とピックオフ信号の間の大凡４５°である一定の位相差を維持する工程と、
    前記振動式メータが、駆動信号とピックオフ信号の間の一定の位相差を維持することが出来ないときを示す工程を備える、方法。
16. 液体/固体の境界の存在を検知する工程は更に、振動要素が振動を止めるときを示す工程を備える、請求項１５に記載の砂分離装置における液体/固体の境界を検知する方法。
17. 液体/固体の境界の存在を検知する工程は更に、振動応答の強さが所定の閾値以下であれば、砂分離装置内の液体/固体の境界の存在を示す工程を備える、請求項１５に記載の砂分離装置における液体/固体の境界を検知する方法。
18. 液体/固体の境界の存在を検知する工程にて、強さは電圧である、請求項１７に記載の砂分離装置における液体/固体の境界を検知する方法。
19. 更に、液体/固体の境界が検知されたならば、前記砂分離装置から固体を排出する工程を備えている、請求項１５に記載の砂分離装置における液体/固体の境界を検知する方法。
20. 更に、砂分離装置の排出管を開く工程を備える、請求項１５に記載の砂分離装置における液体/固体の境界を検知する方法。

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