JPH06507725A - ガス流特に天然ガス流の監視を行う方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ガス流特に天然ガス流の監視を行う方法及び装置本発明は、音響振動をガス流管 に下流側及び上流側に加え、下流側及び上流側の監視音響の移動（伝播）時間を 検出し、監視しようとするガスの平均分子量に主として依存する音響速度又はこ れを表わす量を前記移動時間に基づいて定める、流動ガスの成分を監視する方法 に関する。

さらに本発明は、ガスとくに天然ガスの流れを監視する装置に関する。

フィンランド国のテクニカル・リサーチ・センター（Ｖａｌｔｉｏｎｔｕｔｋｉ ｍｕｓ　ｋｅｓｋｕｓ　ＶＴＴ）のフィンランド国特許第７６．８８５号公報か ら、下流側及び上流側に進む音波を使用することにより、管内又は等価波管内の ガス、液体及び又は多重相懸濁液の流れ速度、体積流量及び又は質量流量の測定 を行う音響式流量測定の方法及び装置はよく知られている。この従来の方法及び 装置では、音響源から来る広帯域音響信号を測定管又は等価波管内に平面波モー ドで下流側及び上流側に進行させ、そして流れ速度を測定音響信号の相関関数の 最大値及び又は最小値から得られる音響移動時間に基づいて、又各測定点間の相 互距離に基づいて定める。

前記フィンランド国特許公報に記載しである１つの技術的解決法では、音響を測 定管内に周波数走査の形で送給し、音響の移動時間を極性相関器によって測定距 離の各端部に位置させたマイクロホンの信号から定める。下流側及び上流側で測 定した移動時間から、静止中の媒体内の平均流れ速度及び音響速度の両方を高い 精度で測定することができる。さらに必要に応じ、流れ速度と管の横断面積とか ら体積流量割合を計算することができる。前記フィンランド国特許公報又はその 他の方式により測定したガス流れ速度は、一般に質量流量の計算のためにガスの 温度及び圧力と共に出発情報として使われる。すなわち一般に流れ速度の測定は 、ガスの温度及び圧力の測定と組合せる。

流れ速度及び質量流量の測定のほかに、他の種類のガス監視、とくにガスの成分 の監視の必要がある。たとえばガス類のうち経済的に最も重要なエネルギー源で ある天然ガスの場合に、監視の必要が生じている。たとえば、天然ガスは種々の 量の水素、水蒸気又は不活性ガスを含む。従来よく知られているように天然ガス の性質は、これから試料を取り又試料をクロマトグラフ法により調べることによ って監視する。この場合高価な設備を必要とし、労力を要し、自動的に実施する ことがむずかしい。すなわちガスの性質が著しく変る場合に警報を与えることが できるようなガス、とくに天然ガスを監視する方法及び装置を提供することが極 めて必要である。この場合、必要に応じクロマトグラフ法によりガスの組成の一 層精密な分析を行うことが好ましい。又代金請求のためにガスの燃焼値を定める のに、ガスの組成を監視することが必要である。

ガス中の音響速度は、主としてガスの組成及び温度に依存することが知られてい る。この組成は、主として平均分子量を介して、構成る程度は分子の自由度数す なわち分子中に存在する原子の個数を介して音響速度に影響を及ぼす。

本発明の目的は、ガスとくに天然ガスの流れを監視する、とくにガスの組成を監 視する新規有利な方法及び装置を提供することにある。

本発明の目的は、ガスの流れ速度のほかに、ガスの組成が均質のままであるかど うか、又はガス組成に変化が生ずるかどうか、たとえば天然ガス中の水素、水蒸 気又は大気ガスのような異物ガスがこの組成に含まれるかどうかについて情報を 得る方法を提供することにある。

本発明の特定の方法は、ガスの流れ速度の測定、とくに前記フィンラント国特許 第７６．８８５号公報に記載しである音響式ガス流量計に好ましい状態で関連で きる方法を提供することにある。この方法では、下流側及び上流側への音響移動 時間を相関法により、なるべくは極性相関器により測定する。

本発明に密接に関連する従来の技術に関して、さらにスイス国特許第６６９，４ ６３号公報及び米国特許第４，５９６，１３３号の各公報を参照する。これ等の 公報には、流動ガスの監視に適当な装置が記載され、これ等の装置は主として超 音波技術により構成しである。しかし引用した各特許公報のこれ等の装置は本発 明に比べて、音響エネルギーを若干の径路に沿い流れ管を斜めに横切るようにし たことが実質的に異なっている。この場合、音響の波長は測定管の直径より実質 的に短かくなければならない。前記の引用した特許公報は、本発明の装置に比べ て、超音波法では普通のように同じ検出器が監視音響の送信器としても、又受信 器としても作用する点がさらに異なっている。

前記した又後述する目的を達成するのに、本発明の方法は主として、この方法で 前記音響振動の振動数を成る限度の周波数より低く選定して、監視音響が平面波 モードで測定管の軸線方向に移動し、監視音響の移動時間を測定管の軸線方向に 、この測定管の平均直径より実質的に大きい寸法にした測定距離にわたり検出し 、前記音響速度又はこの速度を表わす量がその予測された値の範囲とは異なると きに、警報信号又は若干のその他の制御信号が与えられるようにすることを特徴 とする。

又本発明装置は主として、この装置が測定しようとするガス流が流れる測定管と 、可聴周波数の音響信号の送信器としての拡声器と、測定管に関してこの測定管 の軸線方向に、この測定管の平均直径より実質的になるべくは１けただけ大きい 成る既知の軸線方向距離だけ互いに隔てた前記各拡声器の間に位置させた音響検 出器としてのマイクロホンとを備え、この装置がガス流の速度とこのガス流中の 音響速度とを定めるユニットを備え、そしてこの装置は検出された音響速度又は この速度を表わす量が成る前もって定めた限度値以上又は以下であるときに、警 報を生ずるように取付けた警報ユニットを備えることを特徴とする。

本発明の最も有利な実施例では、これ等の同じ装置によりガス流速度とこのガス 中の音響速度とは音響学的に測定する。さらに又ガス温度そして若干の場合には 圧力も測定するのが有利である。この温度の測定に基づいて、検出される音響速 度は、前もって設定された基準温度に対応するように下げることができる。この 低下した音響速度の監視に基づいて、警報信号又はその他任意の制御信号を生ず る。このようにしてガスの組成を監視することができる。この組成は、主として 平均分子量によって構成る程度は分子中の自由度数によって音響速度に影響を及 ぼす。音響速度の変化の許容範囲は、実験的に又必要に応じクロマトグラフ法を 実施する基準測定により定めることができる。警報を生じないで許容される音響 速度の変化範囲の平均値は、たとえばガスの平均的又は理想的の性質を示す。

これに関して前記及び後述の場合に、ガスとは、互いに異なるガスから成るガス 混合物も意味するのはもちろんである。

以下、本発明を添付図面により好適な実施例について詳細に説明する。

添付図面は、本発明によるガス流監視装置のブロック図である。

添付図面によれば、測定管ＩＯ内を進むガス流は音響学的に監視する。典型的に は、監視しようとするガスは天然ガスである。測定管ＩＯ内に、下流側及び上流 側に拡声器＋３ａＪ１３ｂにより音響信号を伝送する。これ等の信号は、各拡声 器１３ａ、１３ｂ間に位置させたマイクロホン１４ａ、＋４ｂにより受ける。各 マイクロホン１４ａ、＋４ｂ間の相互距離りは、監視のために重要である。測定 管１０の直径りと測定距離りとは、たとえばＩ、：ＩＯＤになるように選定する 。

本発明に係わる測定技術の見地から、剛性壁を持つ管１０では管ｌＯの寸法に依 存する成る限度周波数以下で、もっばらいわゆる平面波モート又はピストンモー ドが進行することの物理的観察が最も重要なものである。このモードの進行速度 は、その温度又は流れ速度では媒体内の局部的変化には依存しないで、もっばら 測定距離内の平均値に依存する（１９７７年１０月発行の米国音響会会誌（Ｊ。

Ａｃｏｕｓｔ、　Ｓｏｃ、　Ａｍ、）第６２巻第４号８１３ないし８１８頁のビ ー・ロバートソン（Ｂ、　Ｒｏｂｅｒｔｓｏｎ）の論文「管内の音響速度に対す る随意の温度及び流れ輪郭の影響及び１９８４年３月発行のトランザクションズ ・オブ・ＡＳＭＥ　（Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ＡＳＭＥ）第１０６巻 １８ないし２０頁のビー・ロバートソンの論文「長音波を使う流量測定に対する 流れ及び温度輪郭の独立性」）。このようにして輪郭（プロファイル）とは無関 係な正確な流量測定ができる。円形断面を持つ管に対しては、前記の限度周波数 ｆｃは次の式から計算することができる。

ｆｃ　＝　ｃ／　（１，７・Ｄ）　（１）この式では、Ｃは管を満たす媒体中の 音響の移動速度であり、Ｄは管ＩＯの直径である。

次に、本発明による流量測定に使う最も重要な計算式は次の通りである。

音響速度（ｍ／　ｓ）　Ｃ＝０．５　・Ｌ　・（ｔ＋−’＋ｔｔ−’）　（２） 温度−低下音響速度（ｍ／　ｓ　）　Ｃｏ　＝　Ｃ−〜に丁７　（３）流れ速度 （ｍ／ｓ）　ｖ＝ｏ、５・Ｌ・（ｔ＋−’−１．−１）　（４）体積流量（ｍ” ／ｓ）、Ｑ＝ｖ−Ａ　（５）質量流量（ｋｇ／ｓ）　Ｍ＝Ｑ・ρ　（６）■＝平 均流れ速度 り二マイクロホン１４ａ、＋４ｂ間の距離Ｌ＋”音響の下流側への移動時間 ｂ＝音響の上流側への移動時間 Ｔｏ”音響速度Ｃ６を対応するように低減させる基準温度Ｔ＝測定管ｉｏ内のガ スの温度 Ｑ＝体積流量 Ａ＝管ｌＯの横断面積 Ｍ；質量流量 ρ＝ガスの密度 図面によれば、拡声器１３ａ、１３ｂは走査発生器１２から受ける電気信号を交 互に供給される。拡声器１３ａ、１３ｂの交互の送給は、周波数走査の制御ユニ ット１１により制御されるスイッチ１８により制御する。音響測定システムの受 信側は、相互に測定距離りを隔てて位置させた前記のマイクロホン１４ａ、１４ ｂを備えている。これ等のマイクロホンの出力信号は、増幅器１６ａ、１６ｂを 介して走査できるフィルタ１７ａＳ　１７ｂに送る。各フィルタ１７ａ、１７ｂ は本発明では主要な部品であり、これ等のフィルタの走査帯域は周波数走査の制 御ユニット１１により制御する。

走査できるフィルタ１７ａ、１７ｂは極性相関器１５に接続してあ図面によれば 、ガス温度Ｔ測定検出器】９及びガスー圧力ｐ測定検出器２１は測定管１０内に 位置させる。検出器１９．２１から、測定情報は計算ユニット２０に送られる。

計算ユニット２０には、下流側音響移動時間ｔ１及び上流側音響移動時間ｔ、に 係わるデータが極性相関器１５から伝送される。ユニット２０では、前記式（２ ）に基づいて測定しようとするガス中の音響速度Ｃが計算され、式（４）に基づ いてガスの流れ速度Ｖが計算される。ユニット２０から流れ速度Ｖが計算ユニッ ト及び又は表示ユニット２２に伝送される。ユニット２２では、流れ速度Ｖがた とえばプロッタにより表示され又必要に応じ記録される。又必要に応じ前記式（ ５）及び（６）に基づいて体積流量Ｑ及び又は質量流量Ｍが計算される。これ等 の流量は又ユニット２２で表示され又は記録され或は表示かつ記録される。本発 明では管ＩＯ内を流れるガスの組成の監視は、流れ速度Ｖとこの流れ速度から誘 導される量Ｑ及びＭとの前記した監視に関連づけられる。

ガス中の音響速度は、この音響速度に主として平均分子量を介して構成る程度は 分子の自由度数を介して影響を及ぼすガスの温度及び組成に主として保存するか ら、ガス中の音響速度はガスの組成を示し、少くとも組成の著しい変化はガスの 組成と本発明により監視されると考えられる。

ユニット２０では前記式（２）に基づいて、音響速度Ｃは移動時間ｔ、及びｔ２ を使用することにより計算される。さらに流動ガスの温度Ｔについての情報を検 出器１９からユニット２０に供すときは、前記式（３）Ｃｏ　＝　ｃ−マ］７ｚ げ　に基づいて、このシステムに与えられた基準温度Ｔ０に対応して低減した音 響速度Ｃ０を定めることができる。ユニット２０から、低下音響速度Ｃ０をユニ ット２３に送る。ユニット２３は、低下音響速度Ｃ０が与えられた限度値Ｃ０及 び０２以上又は以下のときに警報を与える基準及び警報ユニットとして作用する 。前記限度値Ｃ７及びＣ２は、これ等を設定しユニット２３に供給できるように 定められる。低下音響速度Ｃ０が与えられた限度値Ｃ１及びＣ８以内にあるとき は、このシステムではガスの組成が十分に均質であると考えられる。監視システ ムにより検出する低下音響速度Ｃ０が、上限値０１以上又は下限値Ｃ１以下であ るときは、このシステムは適当な警報信号を生ずる。或は前記限度値Ｃ８及びＣ ７は、前記した低下に対応するように温度に依存するように定めることができる 。警報によりたとえばクロマトグラフ法によって、ガス組成を一層精密に定める ことができる。ガスの温度が全く不変であれば、その測定は必ずしも必要ではな くて、前記した音響速度の温度による低下は考慮する必要がない。しかし一般に 温度の測定と温度に基づ（音響速度の低下とは本発明に必要である。

とくに音響移動時間ｔ１及びｔ、の前記した監視及び決定モードは、本発明の限 定されない実施例で得られる。本発明では、前記フィンランド国特許第７６．８ ８５号と本出願人によるフィンランド国特許願第９１６１０２号との各明細書に 、一層詳しく記載しである音響式流れ測定の種々の詳細を適用することができる 。

添付図面のブロック図に関して、個々のブロックとして例示した各ユニットを、 実際の装置で種々の方式で分割して物理的に位置させである。この国とは異なる ブロックの作動的分割を行ってもよい。

以上本発明の詳細な説明したが、本発明はなおその精神を逸脱しないで種々の変 化変型を行うことができる。

フロントページの続き （７２）発明者　ヒースメキ、ペッカ フィンランド、　０２３２０　ニスポー、ネキンカーリ　２　シー　４ （７２）発明者　クヌーツティラ、マツティフィンランド、　０２９４０　ニス ポー、イソンイエルヴエンティエ　８−１０　シー （７２）発明者　カール、レイフ フィンランド、　０２７７０　ニスポー、ケレイエクヤ　４ （７２）発明者　ティーツタ、アンチロフィンランド、　０２３６０　ニスポー 、ユレカウピンクヤ　１　デー　１９

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. １．ガス流動管（１０）に下流側及び上流側に音響振動を加え、下流側及び上流 側の監視音響Ｌの伝播時間（ｔ１及びｔ２）を検出し、監視しようとするガスの 平均分子量に主として依存する音響速度（ｃ）又はこれを表わす量を、前記伝播 時間（ｔ１及びｔ２）に基づいて求める、流動ガスの組成を監視する方法におい て、前記音響振動の振動数を或る限度周波数（ｆｃ）以下に選定して、監視音響 が前記測定管の軸線方向に平面モードで移動するようにし、前記の監視音響の移 動時間（ｔ１及びｔ２）を、前記測定管の軸線方向でこの測定管の平均直径（Ｄ ）より実質的に大きい寸法にした測定距離（Ｌ）にわたって検出し、前記の音響 速度（Ｃ）又はこれを表わす量がその予期した値の範囲（Ｃ１・・・・Ｃ２）と は異なるときに、警報信号又は若干の他の制御信号を生ずることを特徴とする方 法。
2. ２．使用する前記測定管を実質的に円形の断面を持つガス流管（１０）とし、前 記監視音響の上限周波数をｆｃ＝ｃ／（１．７・Ｄ）（この式中でｃは前記ガス 流管（１０）を満たす媒体中の音響移動速度であり、Ｄは前記ガス流管（１０） の直径である）になるように選定することを特徴とする請求の範囲第１項に記載 の方法。
3. ３．前記ガス流管（１０）の軸線方向で、下流側及び上流側の監視音響の伝播時 間（ｔ１及びｔ２）の測定距離（Ｌ）をＬ≒１０Ｄになるように選定することを 特徴とする請求の範囲第１項又は第２項に記載の方法。
4. ４．流動ガスの温度（Ｔ）を前記の温度測定に基づいて或る基準温度Ｔｏに対応 するように低下させる音響速度を、理想気体に適用できる式Ｃｏ＝Ｃ√（Ｔｏ／ Ｔ）（この式中でＴ＝ガスの絶対測定温度であり、Ｔｏ＝選定した絶対基準温度 であり、Ｃ＝測定した音響速度であり、Ｃｏ＝基準温度に対応し低減した音響速 度である）から、又は対応する一層実際的な式を使うことによって定め、前記の 温度に対応し低下した（Ｃｏ）がその予期した範囲（Ｃ１・・・・Ｃ２）とは異 なるときに警報信号又は制御信号を生じさせることを特徴とする請求の範囲第１ 項ないし第３項のいずれかに記載の方法。
5. ５．前記移動時間（ｔ１及びｔ２）に基づいて流動ガスの速度（ｖ）を既知の計 算式（４）により計算し、又は前記流れ速度測定に基づいて体積流量（Ｑ）及び 又は質量流量（Ｍ）を既知の計算式（５）、（６）に基づいて計算し、或は前記 の両方の計算を行うことを特徴とする請求の範囲第１項ないし第４項のいずれか に記載の方法。
6. ６．流動ガスの圧力（ｐ）も測定することを特徴とする請求の範囲第１項ないし 第５項のいずれかに記載の方法。
7. ７．実質的に同じ装置によりガスの組成の均質性を監視すると共に、このガスの 流れ速度（Ｖ）及び又はこの速度から導くことのできる量（Ｑ、Ｍ）を測定し、 長波の音響を前記測定管（１０）内に伝播させ、ガス流中を下流側及び上流側に 進む音響信号を前記測定管（１０）に関して相互に特定の距離（Ｌ）を隔てて位 置させた２個の音響検出器（１４ａ、１４ｂ）によって検出し、前記測定管（１ ０）内を流れるガスの流れ速度（ｖ）と音響速度（Ｃ）との両方を前記各信号の 極性相関（１５）、（１５１、１５２）を使用することにより既知の計算式（２ ）及び（４）によって定め、前記測定管（１０）内に伝播する音響の周波数を或 る最高及び最低の周波数（ｆｍｆｎ，ｆｍａｘ）の間で走査し、２個の音響検出 器（１４ａ、１４ｂ）から来る測定信号（ｆ１（ｔ）及びｆ２（ｔ））を狭帯域 フィルタ（１７ａ、１７ｂ）又はフィルタ系に送り、前記各フィルタ（１７）の 通過帯域を音響伝播の周波数走査と同期して走査し、周波数走査の持続時間と前 記各フィルタ（１７）の通過帯域の幅とを、測定順序の瞬間に前記各検出器（１ ４ａ、１４ｂ）により検出する測定信号が、実質的に減衰を伴わないで前記フィ ルタ（１７）を経てアクセスするように選定すると共に、前記各フィルタ（１７ ）の平均周波数とは実質的に異なる干渉周波数を著しく減衰させるように選定す ることを特徴とする請求項第１項ないし第６項のいずれかに記載の方法。
8. ８．ガスとくに天然ガスの流れを監視する装置において、測定しようとするガス 流が流れる測定管（１０）と、音響学的周波数の音響信号の発振器としての拡声 器（１３ａ、１３ｂ）と、前記測定管（１０）に関してこの測定管の軸線方向に 、この測定管（１０）の平均直径（Ｄ）より実質的に、なるべくは１けただけ大 きい或る既知の距離（Ｌ）を相互に隔てて、前記各拡声器（１３ａ、１３ｂ）間 に位置させた音響検出器としてのマイクロホン（１４ａ、１４ｂ）とを備え、又 ガス流速度（Ｖ）とこのガス流中の音響の速度（Ｃ）とを測定する手段（２０、 ２２、２３）を備え、又検出された音響の速度（Ｃ）又はこの速度を表わす量が 、或る前もって設定した限度値（Ｃ１、Ｃ２）以上又は以下のときに警報を生ず るように取付けた警報手段（２３）を備えたことを特徴とする監視装置。
9. ９．前記測定管（１０）内に取付けられ、温度測定信号（Ｔ）を計算手段（２０ ）に送ることのできる温度検出器（１９）を備え、前記計算手段（２０）により 或る前もって設定した基準温度（Ｔｏ）に対応するように低減させる音響速度（ Ｌｏ）を既知の計算式（３）によって定めることができ、前記の低減した音響信 号（Ｃｏ）が予期された値の範囲（Ｃ１・・・・Ｃ２）とは異なるときに警報信 号又は制御信号を生ずるように取付けた警報手段（２３）を備えたことを特徴と する請求の範囲第８項に記載の装置。
10. １０．周波数走査電気信号を前記拡声器（１３ａ、１３ｂ）に送る周波数走査信 号発生器（１２）又は各発生器（１２ａ、１２ｂ）を備え、前記マイクロホン（ １４ａ、１４ｂ）から受ける信号を供給する極性相関器（１５）、（１５１、１ ５２）を備え、前記マイクロホン（１４ａ、１４ｂ）から来る信号を前記極性相 関器（１５）に自身を経由して供給する２個の周波数走査フィルタ（１７ａ、１ ７ｂ）又は等価のフィルタ系を備え、又前記周波数走査信号発生器（１２）の周 波数と前記狭帯域フィルタ（１７）の周波数走査とを、相互に同期して制御する 周波数走査の制御装置（１１）を備えたことを特徴とする請求の範囲第８項又は 第９項に記載の装置。
11. １１．圧力測定信号を前記計算手段（２０）に与える流動ガス用圧力検出器（２ １）を前記測定管内に位置させたことを特徴とする請求の範囲第８項ないし第１ ０項のいずれかに記載の装置。
12. １２．天然ガスの組成の一層精密なクロマトグラフ測定のための出発インパルス を与えるように取付けたことを特徴とする天然ガス監視用の請求の範囲第８項な いし第１１項のいずれかに記載の装置。