JPH0535363B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、ガス流量の測定及びこのような測定
を行なう装置に係る。

従来の技術 海底ガス田の発見に伴ない、40ないし70バール
の圧力のガスを分配するために、大規模な輸送パ
イプラインネツトワークを建設することが必要と
なる。

現在のところ、このようなシステムを効果的に
作動させるために必要とされる大部分の流量計測
は、オリフイス・プレート式計器を用いて行なわ
れている。然し乍ら、これらの計器では、流量レ
ンジに限度があつたり（約10：１）、計器によつ
て圧力降下が生じたり、計器を長距離にわたつて
まつすぐに動かす必要があつたり、相当に保守を
必要としたりといつた重大な欠点が幾つかある。

オリフイス・プレート式計器に代るものとして
多数の計器が考えられてきた。回転変位式の計器
は、高価であると共に、可動部を有しているの
で、サイズが大きくなる上に、ガスの供給を妨げ
る。又、タービン式の計器は、摩耗を受け易く、
正確に使用するためには個々に校正を行なうこと
が必要である。渦動式の計器は、ターン・ダウン
（turn−down）比がオリフイス・プレート式の計
器よりも著しく良いが、同様の設置条件が必要で
あり、然も、同様の圧力降下が生じる。ガス流量
を測定する最も理想的な流量計をもたらす見込の
あるものは、超音波をベースとしたものだけであ
ると思われる。

音波を用いて流量を測定できることは長い間知
られていたが、これらの方法は、1960年代前半以
来商業的に利用されているに過ない。それから多
数の種々の技術が開発されたが、その大部分は、
液体を計測するために商業的に利用されているに
過ない。

ガス供給システムでは、きれいな高圧ガス流を
計測することが要求される。これにより、ドツプ
ラ効果をベースとした方法が全く排除される。と
いうのは、この方法では、音波を散乱させるため
に流体中に中断部を必要とするからである。圧力
の高いガスの流れにおいては、適当な中断部が存
在しない。高い測定精度が必要性とされることに
より、超音波が互いに相関するような技術は除か
ねばならない。現在行なわれている２つの最も重
要な方法は、パイプを横切る１つ以上の斜めの経
路に沿つて別々の方向に超音波パルスを送ること
である。第１の方法では、２つの独立したパルス
流が互いに逆の方向に伝送される。このパルス流
において或るパルスが検出された直後に次のパル
スが放射される。パルス繰り返し数の相違が別々
の方向において測定される。この相違はガスの速
度の関数である。もう１つの方法は、もつと基本
的なものであり、パルスの通過時間を直接測定す
るものである。

又、超音波流量計は、トランスジユーサの位置
によつて２つの分類に分けられる。即ち、湿式
と、非湿式である（“クランプ・オン”タイプを
含む）。液体流量計は、“クランプ・オン”トラン
スジユーサのものが入手できる。然し乍ら、液体
中ではなくてガス中に超音波を結合させることは
非常に困難であり、このため、ガス中にトランス
ジユーサを沈めることによつて部分的な解決が与
えられる。これで、界面での信号損失が最小とな
り、ビームの屈折による問題が排除される。

この形式の簡単な超音波流量計の一般的な構成
が第１図に示されている。超音波パルスが２つの
トランスジユーサ間を進むのに要する時間が、例
えば、高周波クロツクを用いて電子的に測定され
る。クロツクは、一方のトランスジユーサからパ
ルスが放射される時に開始され、他方のトランス
ジユーサから受信信号が開始される時に停止され
る。

第１図においては、トランスジユーサＡからＢ
へ進む音波が、その経路に沿つたガス流の成分に
よつて加速され、その平均速度は、 ｃ＋ｖ（Ｘ／Ｌ） で表わされる。但し、vHはプローブ間のガスの
平均流速であり、ｃは音波の速度であり、Ｌは各
トランスジユーサ間の距離であり、そしてＸは対
向したトランスジユーサ対間の長手方向変位であ
る。従つて、 １／t_AB＝ｃ＋ｖ（Ｘ／Ｌ）／Ｌ (1) となる。但し、t_ABは、トランスジユーサＡから
Ｂまでのパルス通過時間である。同様に、逆方向
に進むパルスは、ガス流の成分によつて減速され
る。従つて、 １／t_BA＝ｃ−ｖ（Ｘ／Ｌ）／Ｌ (2) となる。２つの式を減算すると、 １／t_AB−１／t_BA＝２Ｘ／L² (3) 又は、 t_BA−t_AB／t_ABt_BA＝２Ｘ／L² (4) となる。これを整理すると、次のようになる。

＝L²／2xΔt／t_ABt_BA (5) 但し、Δt＝t_BA−t_AB (6) 式(5)から明らかなように、プローブ間の平均流
速は、測定した時間と、著しく変化することのな
い測定区分の幾何学的配置との関数になるに過な
い。流体の特性（組成、温度、圧力、及び音波の
速度）は、タイミング回路を適切にトリガできな
い程信号を弱めることがない限り、計測の精度に
直接的に影響を及ぼさない。システムの実際の作
動中には、幾つかの付加的な要素は避けられない
が、これらは著しく重大ではない。

式(5)に本来ある重大に制約は、この式がトラン
スジユーサ間の平均ガス速度にしか関係していな
いことである。例えば、直径において測定する
と、パイプの中心の流体に対して非常に重み付け
されたものとなり、従つて、通常は、大き過るも
のになる。この形式の１回の測定では、パイプ断
面にわたる流速が既知であるか又は予測できる場
合にのみパイプの平均流量に関係したものとな
る。この目的で速度分布を充分正確に予測できる
のは、ガス流が計器を通して完全に進行する場合
だけである。これは、まつすぐなパイプを用いる
ことによつてのみ確保できるが、この場合には広
い場所が必要となり、従つて比較的経費がかゝる
ことになる。本出願人は、パイプを横切る多数の
色々な経路において測定を行なつた場合にこれら
の問題を解消できることが分かつた。

これは、意外なことである。というのは、今日
まで市販されている超音波流量計の大部分は、液
体に用いるように設計されたものであるが、或る
市販の装置は３バール以上のガスの測定に利用で
きるからである。然し乍ら、この装置は、単一経
路で測定する装置である。

発明の構成 流体の流量、特に、圧縮性流体の流量を測定す
る本発明の装置は、パイプラインの壁に設置され
たトランスジユーサーの整合された複数の対を備
える。これらの対の個々のトランスジユーサは、
他方のトランスジユーサと協働して動作を行い、
またパイプラインの穴を通過する経路を形成する
超音波エネルギーパルスをトランスジユーサ間で
放射しかつ受けるものである。これらの前記トラ
ンスジユーサ対は、少なくとも２つの経路がパイ
プラインのパイプボアの半分のうちの一方の半分
内に位置づけられており、更にそれと同数の経路
がパイプラインのパイプボアの他方の半分内に位
置づけられている。これらの経路は前記パイプラ
インの長手方向軸の投影線に対してある角度で配
置されており、これらの各経路は前記軸に対して
実質的に平行で且つ互いに対して実質的に平行な
別々の平面内に存在する。パイプラインのパイプ
ボアの一方の半分内にある各経路は、前記パイプ
ラインのパイプボアのもう一方の半分内にその経
路とほぼ同じ長さの対応経路を持ち、各経路が長
手方向軸となす角度は、対応経路がこの長手方向
軸となす角度と異符号となつている。

多数の測定経路に対する最適な位置を定めるの
に、多数の色々な数学的手順を利用することがで
きる。ガウスの求積法として知られている数学積
分技術が、１つの公知技術として使用されてい
る。最近別の技術が提案されており、英国特許第
1503852号に開示されている。この別の技術を用
いた時には、エラーを１％未満にするのに４つの
弦（即ち、経路）で充分であることが分かつた。

以下、添付図面を参照して、本発明を詳細に説
明する。

実施例 第２図及び第３図を説明すれば、パイプ壁、即
ちスプール１の一部分には、４対の穴、即ちポー
トが設けられており、各対間の線即ち経路は、パ
イプの内部断面を切る弦ａ，ｂ，ｃ，ｄを画成す
る。各対の穴は、距離Ｘだけ互いに長手方向にず
らされている。各穴内には、パイプボアに適合す
る形状にされた挿入体２が配置されている。更
に、穴内には、密封されたトランスジユーサ３も
配置されている。各トランスジユーサは、ガス流
を乱すことがないようにガス流より後方に引込め
られており、送／受信面はその対応部分に平行に
なるように揃えられている。各面間の距離は、Ｌ
とする。

挿入体は、ガス流の乱れを減少するようにポー
トの領域を効果的に制限する。挿入体は、例えば
ニツケルメツシユで作られたスクリーンをパイプ
壁と平らに保持するように任意に設計できる。超
音波を透過するこれらのスクリーンは、ガス流の
乱れを最小にすると共に、ポートへ流れ込むガス
流を制限する。

Ｘ及びＬを第２図に示すように定めれば、トラ
ンスジユーサを引込めても式(5)が依然有効である
ことを示すように、これまでの理論を拡張できる
ことに注目されたい。

超音波駆動／検出ユニツトと各プローブ対との
接続を順次に選択するためにマルチプレクスユニ
ツトが使用される。各パルス通過時間の開始と終
了をマーク付けするトリガパルスを用いて、
100MHzクロツクで作動するタイマユニツトが制
御される。各対のパルス通過時間が適度なもので
あるかどうかをチエツクすると共に、次の値が急
激に変化するものについてはこれを排除するため
に、マイクロプロセツサをベースとしたユニツト
が使用される。

［T_AB＋T_BA／2L］_i これは、起こり得ないような急激な音波速度の変
化を含む。又、マイクロプロセツサは、通常12秒
の時間に対する平均値である平均ガス速度も計算
し、この12秒の時間中には各弦について200回の
測定が行なわれる。測定結果は、更に分析するた
めに別のユニツトへ送られ、行なわれる試験に基
づいて表示もしくは記憶される。計器作動の信頼
性について明確な指示を与えるために、上記排除
の回数が表示される。

本装置による測定の絶対精度は、スプールの幾
何学的な測定値と、タイミング及び積分の精度と
によつて左右される。弦の高さ、装置の管の断面
積及び寸法Ｌは、適当な精度で非常に容易に測定
できる。寸法Ｘ（第２図に示す）は、機械的に決
まらないので、測定が非常に困難である。然し乍
ら、特殊なジグの助けにより、４つの弦の各々に
おいて約＋0.2％以内の精度で測定することがで
きる。水晶のクロツクで決まるタイミングは、非
常に正確であり、積分は、通常、＋１％以内でな
ければならない。

ガス流を乱す原因となる物の近くに装置を設置
した時の装置の性能を試験するように第２の一連
の試験を計画した。ガス流を乱す原因となる物３
つについて試験した。これらを各々“屈曲”、“噴
射”及び“渦巻き”とする。“屈曲”は、水平面
内における標準的な90°エルボ（屈曲半径はパイ
プ直径の1.5倍）であつた。“噴射”流の場合に
は、半円形の欠切部をもつプレートを屈曲部のす
ぐ上流に追加し、屈曲部の内側でパイプ断面の半
分を塞ぐようにした。これは、半分閉じたゲート
弁を屈曲部の上流に模擬したものである。“渦巻
き”も同様であるが、パイプの下半分を塞ぐよう
にプレートを回転した。これは、異なつた平面に
おける２つの屈曲部の影響を模擬したものであ
り、ガス流に若干の渦巻きが形成された。

第７図に示したように、流れを乱す原因となる
物より下流の３つの異なつた距離（パイプ直径の
4.5倍、8.5倍、及び16倍の距離）において計器で
測定を行なつた。装置を２つの別々の向きにして
試験を行なつた。即ち、通常は、弦が水平（屈曲
部の平面内において）となるように装置を配置し
たが、幾つかの測定は、弦が垂直となるようにし
て行なつた。全ての配置において、装置に挿入体
及びスクリーンを用いて試験を行なつた。

適度な時間内に非常に多数の組合せで試験を行
なえるようにするため、１つの圧力値（公称43バ
ール）及び通常２つの値の流量（６及び18ｍ／
ｓ）に限定した各組の条件のもとで２回の測定を
行なつた。

測定結果を第８図に示す。明瞭化のため、２回
の測定値を平均して、作図した。パイプ直径の16
倍又は8.5倍の距離だけ、流れを乱す原因となる
物から離して、装置を配置した場合には、装置の
性能が著しく低下せず、全ての結果は、約−0.3
％の偏差で中心の１％帯域内に入るものであつ
た。装置を屈曲部からパイプ直径の4.5倍しか離
さなかつた時は、流速が低いうちは（通常、６
ｍ／ｓ）上記の場合と同様の性能であつたが、特
に“噴射”又は渦巻き流となるように流速が18
ｍ／ｓに増加した時には性能が著しく低下した。
この速度においては、偏差が０ないし−4.5％の
間で変化するが、これは、おそらく、検出信号が
弱くなつて、大部分のパルス通過時間が排除され
てしまつたためである。屈曲部の付近では非常に
甚しい乱流が生じて、信号が著しく減衰され、パ
ルス通過時間に大幅なばらつきが生じた。流速が
６ｍ／ｓないし18ｍ／ｓの間では流れの形態が大
きく変化せず、積分によるエラーが甚しくなるこ
とはない。

これら試験の結果は、非常に満足なものであ
る。本装置は非常に乱れた流れを高い精度で測定
でき、読みの値は１％の帯域内であつて、然もば
らつきは僅かであつた（−0.3％まで）。このばら
つきが、積分によるものであるか、或いは最初の
一連の試験で観察されらものと同様の系統的な影
響によるものであるかを示す方法はない。流速が
高い場合に観察された比較的悪い性能は、信号が
非常に弱いことに起因するものである。これら条
件のもとで読みの値の信頼性が悪くなることは、
非常に多数の値が排除されることから操作者に明
らかとなろう。

発明の効果 本発明による装置は、次のような効果を発揮す
る。

(1) 装置の精度が良い（個々に校正しなくとも＋
１％）。

(2) 乱れたガス流でもその精度を維持し、従つて
小型の設備に使用できる。

(3) 非常に広い流量レンジ（100：１）にわたつ
て正確である。

(4) 目盛は製造時に固定され、論理的な基線を有
している。

(5) 流れを止めなくてもプローブを交換できると
共に、修理可能である。

(6) ドリフトの傾向がなく、チエツクが容易な安
定したデジタルタイミングどり技術を用いてい
る。

(7) 流れを阻止したり圧力損失を招いたりするこ
とがない。

(8) ガス中の音波の速度についての情報が与えら
れる。

(9) 汚れた流れ、脈動する流れ及び両方向性の流
れを測定できる。

(10) マイクロプロセツサをベースとしたものであ
るから多様性がある。

(12) 特に、大型のパイプに対し比較的安価でなけ
ればならないが、可能な経費節減について検討
したところ、直径200mm以上の全サイズに対し、
オリフイス・プレート型装置よりも設置コスト
を安くできることが示唆された。大型装置に対
する経費節減は相当なものであり、900mmの超
音波計器がオリフイス型システムのコストの20
％に過ないことが推定される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、１つの経路を画成する一対のトラン
スジユーサを含むパイプもしくはスプールの一部
分を示す概略図、第２図は、本発明によるトラン
スジユーサ対の４路（弦）方向のうちの２つを示
すスプールの断面図、第３図は、第２図のＡ−Ａ
線に沿つたスプールの断面平面図、第２ａ図及び
第３ａ図は、別のスプール設計を示す図、第４図
は、本発明による流量計を試験するのに用いるパ
イプ配置の概略図、第５図及び第６図は、圧力が
50バール及び25バールの場合の流速対偏差を示す
グラフ、第７ａ図は、乱れた流れで試験する場合
のパイプ構成を示す概略図、そして第７ｂ図及び
第７ｃ図は、各々、“噴射”及び“渦巻き”流を
形成するための撹乱プレートを示す断面図、第８
ａ図、第８ｂ図及び第８ｃ図は、試験点の上流、
それぞれパイプ直径の16倍、8.5倍及び4.5倍の距
離のところに流れを乱す原因物がある場合の流速
対偏差を示す図である。 Ａ，Ｂ……トランスジユーサ、１……パイプ壁
（スプール）、２……挿入体、３……トランスジユ
ーサ、ａ，ｂ，ｃ，ｄ……弦。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ パイプラインを通じる流体の流量速度測定装
   置において、前記装置はパイプラインの壁に設置
   されたトランスジユーサの整合された複数の対を
   備える型のものであり、対の各トランスジユーサ
   は、他方のトランスジユーサと協働して動作を行
   い、前記パイプラインの穴を通過する経路を形成
   する超音波エネルギーパルスをそれらのトランス
   ジユーサ間で放射しかつ受けるものであり、それ
   らの前記トランスジユーサ対は少なくとも２つの
   経路がパイプラインのパイプボアの半分のうちの
   一方の半分内に位置づけられ且つそれと同数の経
   路がパイプラインのパイプボアの他方の半分内に
   位置づけられており、それらの経路は前記パイプ
   ラインの長手方向軸の投影線に対してある角度で
   配置されており、各経路は前記軸に対して実質的
   に平行で且つ互いに対して実質的に平行な別々の
   平面内に存在し、前記パイプラインのパイプボア
   の一方の半分内にある各経路は、前記パイプライ
   ンのパイプボアのもう一方の半分内に、その経路
   とほぼ同じ長さの対応経路を持ち、各経路によつ
   て作られる前記角度はその対応経路によつて作ら
   れる角度と異符号であることを特徴とする流量速
   度測定装置。 ２ 請求項１記載の装置において、前記経路は、
   長手方向の平面に対して直角な更に別の平面を形
   成し、１つの経路によつて形成された前記更に別
   の平面は、その対応する経路によつて形成された
   前記更に別の平面と交差することを特徴とする装
   置。 ３ 請求項１あるいは２記載の装置において、前
   記各トランスジユーサは前記パイプラインの壁の
   内部に沈めてある装置。 ４ 請求項１から３記載の全ての装置において、
   各グループには４つのトランスジユーサが存在す
   る装置。