JP7563409B2 - センサシステム及び気液比の測定方法 - Google Patents
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Description
本実施形態に係るセンサシステム1について説明する。図1は、本実施形態に係るセンサシステム1の構成の概要を説明する図である。
アンテナ10は、配管Pの内部において、電波を送受信する。アンテナ10は、棒状の形状を有する。アンテナ10の先端10aは、配管Pに設けられた孔から、配管Pに挿入される。アンテナ10の先端10aから電波が配管Pの内部に発信される。また、アンテナ10の後端10bは、方向性結合部40を介して送信部20及び受信部30に接続される。
送信部20は、アンテナ10を介して配管Pの内部に電波を送信するための電気信号である送信信号Txを生成する。送信部20は、高周波信号生成回路21と、パルス信号生成回路22と、混合回路23と、を備える。
高周波信号生成回路21は、例えば、周波数1ギガヘルツであって一定の振幅の連続波である高周波信号Rfを生成する。高周波信号生成回路21は、例えば、電圧制御発振器(VCO:Voltage-controlled oscillator)である。高周波信号生成回路21は、高周波信号Rfを混合回路23に出力する。
パルス信号生成回路22は、トリガー信号Trigをトリガーとして、一定の時間幅のパルス信号Plsを生成する。パルス信号生成回路22は、例えば、パルスジェネレータである。パルス信号生成回路22は、パルス信号Plsを混合回路23に出力する。パルス信号生成回路22による、パルス状のパルス信号Plsが生成されることにより、センサシステム1は、間欠的に配管Pの内部に電波を送信する。
混合回路23は、高周波信号生成回路21から入力される高周波信号Rfと、パルス信号生成回路22から入力されるパルス信号Plsと、を乗算して、送信信号Txを生成する。混合回路23は、例えば、ミキサである。混合回路23は、送信信号Txを方向性結合部40に出力する。
受信部30は、アンテナ10を介して受信した電波に基づく電気信号である受信信号Rxを受信する。受信部30は、受信信号Rxをアナログデジタル変換することにより、受信信号Rxを制御部50が演算可能な受信波形信号WFに変換する。受信部30は、受信波形信号WFを制御部50に出力する。
方向性結合部40は、混合回路23から入力された送信信号Txをアンテナ10に出力する。また、方向性結合部40は、アンテナ10から入力された受信信号Rxを受信部30に出力する。方向性結合部40は、例えば、単方向性結合器である。方向性結合器は、例えば、ループ方向性結合器、分布結合型方向性結合器等である。
制御部50は、送信部20及び受信部30のそれぞれを制御するとともに、受信部30から受信した受信波形信号WFに基づいて、配管Pの内部を流れる二相流体の気液比を算出する。
センサシステム1において、配管Pの内部に電波を送受信した場合の送信信号Txと受信信号Rxについて説明する。図2は、本実施形態に係るセンサシステム1における電波の送受信について模式的に説明する図である。図2において、縦軸は電波強度、横軸は時間を表す。線Ltxは送信部20が送信する送信信号Txの波形、線Lrxは受信部30が受信する受信信号Rxの波形、を示す。
本実施形態に係るセンサシステム1における処理について説明する。センサシステム1における処理を説明することにより、本実施形態に係る気液比の測定方法について説明する。図4は、本実施形態に係るセンサシステム1の処理を説明するフロー図である。
最初に、センサシステム1は、測定の初期化を行う(測定の初期化を行う工程)。具体的には、制御部50は、残留電波の波形を演算するためのバッファを初期化する。
次に、センサシステム1は、アンテナ10から電波を発信する(アンテナから電波を発信する工程)。具体的には、送信部20から送信信号Txをアンテナ10に出力する。送信部20において、高周波信号生成回路21は、高周波信号Rfを出力する。そして、パルス信号生成回路22は、トリガー信号Trigを受けてパルス信号Plsを出力する。混合回路23は、高周波信号Rf及びパルス信号Plsに基づいて、送信信号Txをアンテナ10に出力する。そして、アンテナ10は、配管Pの内部に、送信信号Txに基づく電波を発信する。
次に、センサシステム1は、アンテナ10からの電波の発信を停止する(アンテナからの電波の発信を停止する工程)。具体的には、送信信号Txは、パルス信号生成回路22から出力されたパルス信号Pls信号により形成されている。したがって、アンテナ10から、所定の時間電波を継続して発信した後に、電波の送信が停止される。
次に、センサシステム1は、受信部30により、受信信号Rxを受信して、配管Pの内部で残留する残留電波の波形を取得する(残留電波の波形を取得する工程)。具体的には、受信部30は、電波の発信を停止する前から電波の発信を停止して一定期間経過するまでの受信信号Rxを取り込む。そして、受信部30は、取り込んだ受信信号Rxを、残留電波の時間波形である受信波形信号WFとして、制御部50に転送する。
次に、センサシステム1は、残留電波の波形から積算波形を算出する(残留電波の波形の積算波形を算出する工程)。具体的には、制御部50は、バッファ内に保存している残留電波の波形に、ステップS40で取得した残留電波の波形を積算する。残留電波の波形を積算する場合は、例えば、バッファ内に保存している残留電波の波形に、ステップS40で取得した残留電波の波形を加算してもよいし、平均してもよい。積算波形を用いることにより、残留電波の複数の時間波形を平均化できる。
次に、センサシステム1の制御部50は、所定の積算回数残留電波の波形の積算を行ったかどうかを判定する。所定の積算回数積算した場合(ステップS60のYes)は、ステップS70に処理を進める。所定の積算回数積算していない場合(ステップS60のNo)は、ステップS20に戻って処理を繰り返す。
次に、ステップS60において所定の積算回数積算した場合(ステップS60のYes)は、センサシステム1の制御部50は、残留電波の減衰時間を算出する(残留電波の減衰時間を算出する工程)。残留電波の減衰時間とは、電波の送信を停止してから電波の減衰にかかる時間である。いいかえると、残留電波の減衰時間とは、電波の送信を停止してから電波が減衰するまでにかかる時間である。ステップS70の処理の詳細について、図5を用いて説明する。図5は、本実施形態に係るセンサシステム1における減衰時間を算出する処理を説明するフロー図である。
最初に、センサシステム1の制御部50は、残留電波の波形に対して前処理を行う(前処理を行う工程)。具体的には、制御部50は、前処理として、例えば、平均化等のフィルタリング処理を行う。また、制御部50は、前処理として、例えば、積算した残留電波の波形に対してスパイクカットにより、局所的に値が大きく変動しているデータを削除する処理を行う。制御部50は、前処理を行うことによって、減衰時間を算出する際に障害となるノイズ成分を除去する。
次に、制御部50は、残留電波の波形から、残留電波の波形の微分波形を算出する(残留電波の波形の微分波形を作成する工程)。制御部50は、例えば、サンプリングした前後の残留電波の強度値から、差分等の公知の手法により、残留電波の波形の微分値を求める。そして、制御部50は、所定の時間範囲にわたって、残留電波の波形の微分値を求めることにより、残留電波の波形の微分波形を求める。
次に、制御部50は、微分波形の最低値(最下点)を算出する(微分波形の最低値(最下点)を算出する工程)。具体的には、制御部50は、ステップS72において算出した残留電波の微分波形において、値が一番小さい最小値(最下点)を求める。
次に、制御部50は、最下点を境にして微分波形を前半部分波形と後半部分波形に分割する(最下点を境に微分波形を前後半に分割する工程)。なお、最下点については、前半部分波形及び後半部分波形の両方に組み込む。例えば、最下点は、前半部分波形の最後の点及び後半部分波形の最初の点とする。
次に、制御部50は、分割した前半部分波形及び後半部分波形のそれぞれに対してガウス関数に基づく近似曲線を作成する(微分波形の前後半部分のそれぞれに対して、近似曲線を作成する工程)。本実施形態に係るセンサシステム1では、ガウス関数に基づいて、近似曲線を作成する。
次に、制御部50は、ステップS75で算出した近似曲線を合成する(微分波形の前後半部分のそれぞれの近似曲線を合成する工程)。制御部50は、ステップS75で算出した近似曲線、すなわち、近似関数f1(t)と近似関数f2(t)とを合成する。なお、最下点付近では、近似関数f1(t)と近似関数f2(t)とが滑らかに接続されるように、例えば、平均処理を行ってもよい。
次に、制御部50は、ステップS75で算出した近似曲線のパラメータから残留電波の波形の減衰時間を算出する(近似曲線のパラメータから減衰時間を算出する工程)。具体的には、制御部50は、ステップS75で求めたσ1及びσ2に基づいて、減衰時間を算出する。より具体的には、制御部50は、ステップS75で求めたσ1及びσ2のそれぞれの和を減衰時間として求める。なお、σ1及びσ2のそれぞれから、ガウス関数の半値幅を求め、半値幅から減衰時間を求めてもよい。
次に、制御部50は、ステップS77で求めた減衰時間から気液比を算出する(減衰時間から気液比を算出する工程)。減衰時間から気液比の算出については、事前に、例えば、トレーサフロー試験法等による手動での気液比算出と、センサシステム1による減衰時間の算出と、を同時に行い、減衰時間と気液比との関係を調査して、減衰時間に対する気液比の校正曲線を作成する。そして、事前に作成した校正曲線を用いて、減衰時間から気液比を算出する。
本実施形態に係るセンサシステム1を用いて測定した結果について説明する。図9は、本実施形態に係るセンサシステム1を用いて気液比(水分率)を測定した評価結果を示す図である。図9の横軸は測定を行った二相流体の気液比(水分率)、縦軸はセンサシステム1によって求めた減衰時間を示す。
10 アンテナ
10a 先端
10b 後端
20 送信部
21 高周波信号生成回路
22 パルス信号生成回路
23 混合回路
30 受信部
40 方向性結合部
50 制御部
Ctl1 制御信号
Ctl2 制御信号
P 配管
Pls パルス信号
Rf 高周波信号
Rx 受信信号
Trig トリガー信号
Tx 送信信号
WF 受信波形信号
Claims (8)
- 配管の内部を流れる二相流体の気液比を測定するセンサシステムであって、
前記配管の内部に電波を発信する送信部と、
前記配管の内部から前記電波を受信する受信部と、
前記受信部が受信した前記電波に基づいて、前記送信部が前記電波の送信を停止してから、前記電波の減衰にかかる減衰時間に基づいて、前記気液比を算出する制御部と、
を備え、
前記送信部は、前記電波を間欠的に発信し、
前記制御部は、前記受信部が受信した前記電波の複数の時間波形を平均化する、
センサシステム。 - アンテナを更に備え、
前記送信部は、前記アンテナから前記配管の内部に前記電波を発信し、
前記受信部は、前記アンテナを介して前記電波を受信する、
請求項1に記載のセンサシステム。 - 前記制御部は、前記受信部が受信した前記電波の波形を微分して微分波形を求め、前記微分波形に基づいて、前記減衰時間を算出する、
請求項1又は請求項2のいずれかに記載のセンサシステム。 - 配管の内部を流れる二相流体の気液比を測定するセンサシステムであって、
前記配管の内部に電波を発信する送信部と、
前記配管の内部から前記電波を受信する受信部と、
前記受信部が受信した前記電波に基づいて、前記送信部が前記電波の送信を停止してから、前記電波の減衰にかかる減衰時間に基づいて、前記気液比を算出する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記受信部が受信した前記電波の波形を微分して微分波形を求め、前記微分波形に基づいて、前記減衰時間を算出する、
センサシステム。 - 前記制御部は、前記微分波形に曲線を当てはめて、当てはめた前記曲線から前記減衰時間を算出する、
請求項3又は請求項4のいずれかに記載のセンサシステム。 - 前記曲線はガウス関数であり、
前記制御部は、前記ガウス関数の標準偏差に基づいて、前記減衰時間を算出する、
請求項5に記載のセンサシステム。 - 配管の内部を流れる二相流体の気液比を測定する測定方法であって、
前記配管の内部に電波を間欠的に送信して、受信した前記電波の複数の時間波形を平均化し、前記電波の送信を停止してから、前記電波の減衰にかかる減衰時間に基づいて、前記気液比を算出する、
気液比の測定方法。 - 配管の内部を流れる二相流体の気液比を測定する測定方法であって、
前記配管の内部に電波を送信して、受信した前記電波の波形を微分して微分波形を求め、前記電波の送信を停止してから、前記電波の減衰にかかる減衰時間を前記微分波形に基づいて算出し、前記減衰時間に基づいて、前記気液比を算出する、
気液比の測定方法。
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