WO2018051448A1 - 流量計及び流量計測方法 - Google Patents

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flow
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壮平 高宮
耕一 吾妻
昌宏 武居
ジェオン ミンホー
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愛知時計電機株式会社
国立大学法人 千葉大学
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    • G01F1/56—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using electric or magnetic effects
    • G01F1/58—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using electric or magnetic effects by electromagnetic flowmeters
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    • G—PHYSICS
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    • G—PHYSICS
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    • G01F15/00—Details of, or accessories for, apparatus of groups G01F1/00 - G01F13/00 insofar as such details or appliances are not adapted to particular types of such apparatus
    • G01F15/02—Compensating or correcting for variations in pressure, density or temperature

Definitions

  • the present invention relates to a flow meter and a flow rate measuring method for measuring a continuous phase flow rate in a multiphase flow.
  • a flow meter measures a flow rate of a fluid on the assumption that a measurement target fluid is filled in a measurement pipe (for example, Patent Document 1).
  • the present invention aims to provide a flow meter and a flow rate measurement method capable of improving measurement accuracy.
  • the flowmeter of the present invention includes a measurement tube through which a fluid flows, a plurality of three or more electrodes arranged around the measurement tube, and an electrode selection unit that sequentially selects one electrode from the plurality of electrodes, A voltage is applied to the fluid in the measuring tube from the one electrode, and a current flowing between each of the remaining electrodes excluding the one electrode from the plurality of electrodes and the one electrode is detected, or Detecting a voltage applied between each of the remaining electrodes excluding the one electrode from the plurality of electrodes and the one electrode by applying a current from the one electrode to the fluid in the measurement tube And a matrix generation unit that collects detection results of the detection unit for each of the one electrodes selected by the electrode selection unit and generates a matrix having the detection results as row elements or column elements, and the measurement Whether continuous or dispersed in the tube Each element of the difference matrix between the first matrix generated by the matrix generating means when the mixed phase flow moves and the second matrix generated by the matrix generating means when only the continuous phase moves in the measurement tube Is
  • the flow rate measurement method of the present invention is a continuous phase flow rate measurement method in a multiphase flow, in which three or more electrodes are arranged around a measurement tube through which a fluid flows, and one electrode from the plurality of electrodes. And applying a voltage from the one electrode to the fluid in the measuring tube to detect a current flowing between each of the remaining electrodes excluding the one electrode from the plurality of electrodes and the one electrode Or by applying a current from the one electrode to the fluid in the measuring tube and removing the one electrode from the plurality of electrodes, and applying a voltage applied between each of the remaining electrodes and the one electrode.
  • the current or voltage detected by the remaining electrodes by detecting and sequentially selecting the one electrode from the plurality of electrodes when a multiphase flow consisting of a continuous phase and a dispersed phase moves in the measuring tube.
  • the first element with row elements or column elements Generating a matrix and, when only the continuous phase moves in the measuring tube, sequentially selecting the one electrode from the plurality of electrodes, and using the current or voltage detected by the remaining electrodes as a row element Or generating a second matrix having column elements and dividing each element of the difference matrix between the first matrix and the second matrix by each element of the second matrix to obtain a normalization matrix , Determining the ratio of the dispersed phase based on the normalization matrix, and determining the flow rate of the continuous phase in the mixed phase flow based on the ratio of the dispersed phase.
  • the flow meter 10 of the present embodiment is an electromagnetic flow meter, and includes a detection unit 20 and a control unit 30.
  • the detection unit 20 includes a measurement tube 21 through which a fluid to be measured flows, an excitation coil 22 disposed on the side of the measurement tube 21, and n pieces (n ⁇ 3; FIG. 1 in FIG. 1) fixed around the measurement tube 21.
  • n 8
  • electrodes 23 are provided.
  • the n electrodes 23 are arranged at equal intervals in the circumferential direction of the measuring tube 21.
  • a pair of electrodes 23, 23 facing each other among the n electrodes 23 constitute a pair of detection electrodes 24, 24.
  • the pair of detection electrodes 24, 24 are arranged to face each other in a direction orthogonal to the direction of magnetic flux and fluid flow.
  • a potential difference proportional to the liquid flow velocity is generated between the pair of detection electrodes 24 and 24.
  • control unit 30 includes a main control circuit 31, an excitation circuit 32, and a voltage detection circuit 34. Further, the control unit 30 includes a display device 35 that displays the measurement result of the flow meter 10.
  • the main control circuit 31 includes a CPU 31A, a RAM 31B, and a ROM 31C. Specifically, the main control circuit 31 executes a predetermined program stored in the ROM 31C to perform on / off control of the switch element of the excitation circuit 32, so that the direction of the magnetic flux in the measurement path 21 is switched alternately. 22 and 22 are excited. When the fluid crosses the magnetic flux generated in the measurement path 21, a potential difference is generated between the pair of detection electrodes 24 and 24. This potential difference is taken into the main control circuit 31 via the voltage detection circuit 34. The main control circuit 31 calculates the flow rate of the fluid based on the potential difference between the detection electrodes 24 and 24, and calculates the actual flow rate by multiplying the flow rate by the cross-sectional area of the measurement path 21. Then, the main control circuit 31 executes a flow rate calculation process S20 (FIG. 5) described later to correct the actual flow rate, and outputs the corrected actual flow rate to the display device 35.
  • a flow rate calculation process S20 (FIG. 5)
  • the control unit 30 includes an electrode control circuit 33.
  • the electrode control circuit 33 receives the control signal from the main control circuit 31 and executes the electrode control process S10 shown in FIG.
  • a variable i for selecting one electrode 23 from n electrodes 23 is set to zero (step S11).
  • the variable i is incremented by 1 (step S12), and a predetermined voltage is applied from the i-th electrode 23 corresponding to the variable i to the fluid in the measuring tube 21 (step S13).
  • a voltage is applied from the i-th electrode 23, as shown in FIG. 2B, a current flowing between the i-th electrode 23 and each of the remaining n-1 electrodes 23 is detected. (Step S14).
  • the electrode control circuit 33 selects the electrodes 23 one by one from the n electrodes 23, and applies a voltage from the selected electrodes 23 to the fluid in the measuring tube 21 (steps S11 to S13, S15).
  • the electrode control circuit 33 detects the current flowing between the n electrodes 23 and the remaining n ⁇ 1 electrodes 23 obtained by removing the one electrode 23 from the one electrode 23 (step S31). S14), the detection result is output to the main control circuit 31 (step S16).
  • FIG. 4 shows a flow in which the electrode control circuit 33 acquires current data along the selection order of the electrodes 23.
  • n 8
  • the eight electrodes 23 are numbered sequentially in the counterclockwise direction of FIG.
  • step S13 of the electrode control process S10 a voltage is applied from the electrode 23 numbered corresponding to the variable i.
  • the main control circuit 31 executes the flow rate calculation processing S20 shown in FIG. 5 to correct the actually measured flow rate.
  • a normalization matrix Id is generated (step S21).
  • a current vector I (i) is a vector whose components are n ⁇ 1 current values flowing in the remaining n ⁇ 1 electrodes 23 when a voltage is applied from the i th electrode 23.
  • FIG. 6 conceptually shows a flow in which the normalization matrix Id is generated in the process of step S21.
  • the second matrix Ih is stored in the ROM 31C of the main control circuit 31.
  • the second matrix Ih may be calculated in advance from the flow meter 10 or may be calculated by a simulation experiment.
  • the total sum S of the elements of the normalization matrix Id is then calculated (step S22), and the foreign substance ratio is calculated based on the total S (see FIG. 5). Step S23).
  • the sum S of the elements of the normalization matrix Id is proportional to the ratio of foreign matter (FIG. 7B). Further, the sum S of the elements of the normalization matrix Id is the same regardless of the distribution of the foreign matter in the measuring tube 21 if the foreign matter ratio is the same.
  • step S24 when the percentage of foreign matter is calculated, the measured flow rate is corrected based on the percentage (step S24), and this flow rate calculation process S20 is terminated.
  • the measurement error of the flow rate increases substantially in proportion to the ratio of foreign matter.
  • the fluid flow rate is calculated based on the proportional expression of the foreign matter ratio and the measurement error.
  • the proportional expression used in step S24 is stored in the ROM 31C of the main control circuit 31.
  • the flowmeter 10 of the present embodiment when a multiphase flow composed of the fluid as the continuous phase and the foreign matter as the dispersed phase flows in the measurement tube 21, the ratio of the foreign matter (dispersed phase) is obtained. Based on the ratio, the flow rate of the actually measured fluid (continuous phase) is corrected. Thereby, in flow meter 10, improvement in measurement accuracy is achieved.
  • FIG. 7A shows the distribution of foreign matter in the cross section of the measuring tube 21.
  • FIG. 7B shows a graph in which the ratio is plotted against the sum S of the elements of the normalization matrix Id.
  • cases 1A, 1B, and 1C and cases 3A, 3B, and 3C in FIG. 7A the number and distribution of foreign matters are different, but the proportion of foreign matters is substantially the same. Further, in cases 2A, 2B, and 2C, the ratio of foreign matters is smaller than in cases 1A, 1B, and 1C and cases 3A, 3B, and 3C.
  • the sum S of the elements of the normalization matrix Id takes the same value regardless of the distribution of the foreign matter if the proportion of the foreign matter is the same. Further, the total sum S of the elements of the normalization matrix Id increases in proportion to the ratio of foreign matter. From these facts, it can be confirmed that the foreign substance ratio can be calculated from the sum S of the elements of the normalization matrix Id.
  • FIG. 8 shows a graph in which the column elements are plotted against the variable i corresponding to the electrode 23 for each of the normalization matrices Id of cases 1A, 1B, and 1C (upper stage of FIG. 7A).
  • FIG. 9 shows a graph in which column elements are plotted against the variable i corresponding to the electrode 23 for each of the normalization matrices Id in cases 2A, 2B, and 2C (middle stage in FIG. 7A).
  • FIG. 10 shows a graph in which column elements are plotted with respect to a variable i corresponding to the electrode 23 for each of the normalization matrices Id in cases 3A, 3B, and 3C (lower stage in FIG. 7A).
  • the numbers on the horizontal axis of the graphs shown in FIGS. 8 to 10 correspond to the variable i.
  • case 1A the amount of change in the current value flowing to the electrode 23 near the foreign material is larger than the amount of change in the current value flowing to the electrode 23 near the foreign material in case 1B.
  • case 1C that is, when the foreign matter is arranged at the center of the measuring tube 21, as shown in FIG. 8C, the variation in the amount of change in the current value between the electrodes 23 is uneven. And the peak value of the change amount of the current value becomes smaller than in the cases 1A and 1B.
  • the same results as in cases 1A to 1C can be confirmed for cases 2A to 2C.
  • the values on the vertical axis in the graphs of FIGS. 9 (A), 9 (B), and 9 (C) That is, the value of the element of the normalization matrix Id is smaller than the value of the vertical axis in each graph of FIGS. 8 (A), 8 (B), and 8 (C).
  • the foreign matter ratio in cases 2A to 2C is about one-fourth of the foreign matter ratio in cases 1A to 1C
  • the values on the vertical axis of the graphs in FIGS. 9 (A) to 9 (C) are It is about one quarter of the value on the vertical axis of the graphs of FIGS. 8 (A) to 8 (C).
  • one electrode 23 is sequentially selected from a plurality of electrodes 23 arranged around the measurement tube 21, and a voltage is applied from one electrode 23 to the fluid in the measurement tube 21.
  • the current flowing between each of the remaining electrodes 23 and one electrode 23 is detected, and a matrix having the detection result as a column element is generated.
  • the first matrix Im generated when a foreign substance exists in the measurement tube 21 and the second matrix Ih generated when only the fluid moves in the measurement tube 21.
  • a normalization matrix Id obtained by dividing each element of the difference matrix between the first matrix Im and the second matrix Ih by each element of the second matrix Ih, and based on the normalization matrix Id Calculate the percentage of foreign matter.
  • the flow meter 10 corrects the actually measured flow rate based on the ratio of foreign matter. Thereby, in the flowmeter 10, it becomes possible to improve the measurement precision of the flow volume of the fluid.
  • the flow meter 10 of the present embodiment it is possible to estimate which of the plurality of electrodes 23 a foreign object is present by focusing on the column elements of the normalization matrix Id. Become. This makes it possible to specify the position of the foreign matter.
  • the flow meter 10 of the present embodiment is an electromagnetic type, and a pair of opposing electrodes 23, 23 among a plurality of electrodes 23 detects a potential difference generated by a fluid, a pair of detection electrodes 24, 24. According to this configuration, a part of the plurality of electrodes 23 for determining the ratio of foreign matters can be used as the detection electrode 24 for measuring the flow rate of the fluid, and the flow meter 10 can be made compact.
  • the main control circuit 31 corresponds to “matrix generation means”, “ratio calculation means”, and “flow rate calculation means” of the present invention
  • the electrode control circuit 33 corresponds to “electrode selection means” and It corresponds to “detection means”.
  • the flow meter 10V of the present embodiment is a modification of the flow meter 10 of the first embodiment, and includes a pair of electrode units 23U composed of n electrodes 23, as shown in FIG.
  • the pair of electrode units 23 ⁇ / b> U and 23 ⁇ / b> U are arranged at a predetermined distance L in the flow direction of the measurement tube 21.
  • the electrode control circuit 33 executes the above-described electrode control process S10 (FIG. 3) for each electrode unit 23U, and acquires current data from each electrode unit 23U.
  • the main control circuit 31 performs a flow rate calculation process S20 (FIG. 5) using current data acquired by one or both of the pair of electrode units 23U and 23U, and calculates the flow rate of the fluid.
  • the frequency of the voltage applied from one electrode 23 to the fluid in the measurement tube 21 is different between the pair of electrode units 23U and 23U.
  • the frequency of the voltage applied from one electrode 23 to the fluid in the measurement tube 21 is different between the pair of electrode units 23U and 23U.
  • the flow meter 10V of this embodiment also calculates the flow rate of foreign matter.
  • the main control circuit 31 executes the foreign matter flow rate calculation processing S30 shown in FIG. 12 in addition to the flow rate calculation processing S20.
  • a time-series change of a normalization matrix Id1 (hereinafter referred to as “upstream normalization matrix Id1”) generated from the detection result of the upstream electrode unit 23U, and the downstream electrode.
  • upstream normalization matrix Id1 a normalization matrix generated from the detection result of the upstream electrode unit 23U, and the downstream electrode.
  • downstream side normalization matrix Id2 A cross-correlation analysis is performed on the time series change of the normalization matrix Id2 (hereinafter referred to as “downstream side normalization matrix Id2”) generated from the detection result of the unit 23U (step S31).
  • the time series change of the sum S of the elements of the upstream side normalization matrix Id1 and the time series change of the sum S of the elements of the downstream side normalization matrix Id2 are evaluated, and the time difference between the two time series changes is evaluated. The amount ⁇ t is obtained.
  • the flow rate of the foreign matter is calculated based on the result of the cross correlation analysis (step S32). Specifically, the average flow rate of foreign matter is obtained from the amount of time difference ⁇ t obtained in the process of step S31 and the distance L between the upstream electrode unit 23U and the downstream electrode unit 23U.
  • FIG. 13 conceptually shows the flow of cross-correlation analysis performed in the foreign substance flow rate calculation process S30.
  • the main control circuit 31 corresponds to “flow velocity calculating means” and “flow rate calculating means” according to claim 5.
  • a current may be applied instead of applying a voltage from one electrode 23 selected from the plurality of electrodes 23 to the fluid in the measuring tube 21.
  • the electrode control circuit 33 detects a voltage applied between the one electrode 23 and each of the remaining electrodes 23 and outputs the voltage data to the main control circuit 31. Also with this configuration, the same effects as in the above embodiment can be obtained.
  • the frequency of the applied current may be different between the pair of electrode units 23U and 23U.
  • the combination of the continuous phase / dispersed phase in the multiphase flow may be any of gas / gas, gas / liquid, gas / solid, liquid / gas, liquid / liquid, and liquid / solid.
  • An example where the continuous phase is a gas and the dispersed phase is a solid is a combination of air and dust.
  • Examples of the continuous phase being liquid and the dispersed phase being gas include a combination of water and air.
  • An example in which the continuous phase and the dispersed phase are both liquids is a combination of water and oil.
  • the cross-correlation analysis is performed on the time series change of the sum S of the elements of the normalization matrix Id obtained from the detection results of the pair of electrode units 23U and 23U.
  • Cross-correlation analysis may be performed for time-series changes of some elements (for example, column elements and matrix elements) of the quantization matrix Id.
  • the similarity between some elements of the upstream normalization matrix Id1 and some elements of the downstream normalization matrix Id2 is evaluated, and the amount of time deviation ⁇ t between elements having high similarity is calculated. Ask. At this time, the elements having high similarity do not need to be arranged at the same place in the normalization matrix Id.
  • the first column element of the upstream normalization matrix Id1 and the downstream normalization matrix Id2 may be high. In this case, not only the flow rate of the foreign matter along the flow direction of the measurement tube 21 but also the flow rate of the foreign matter along the radial direction of the measurement tube 21 can be obtained.
  • a pair of detection electrodes 24, 24 may be provided.

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Abstract

【課題】計測精度の向上が図られる流量計の提供を目的とする。 【解決手段】本発明の流量計１０は、計測管２１の周りに配置された複数の電極２３から一の電極２３を順番に選択し、一の電極２３から計測管２１内の流体に電圧を印加して、残りの電極のそれぞれと一の電極２３との間に流れる電流を検出し、検出された電流を列要素とする行列Ｉを生成する。そして、流量計１０は、計測管２１内を混相流が移動する場合に生成される第１の行列Ｉｍと計測管２１内を混相流の連続相のみが移動する場合に生成される第２の行列Ｉｈの差行列の各要素を第２の行列Ｉｈの各要素で除してなる正規化行列Ｉｄを生成し、その正規化行列Ｉｄに基づいて、混相流における分散相の割合を演算し、連続相の流量を演算する。

Description

流量計及び流量計測方法
　本発明は、混相流における連続相の流量を計測する流量計及び流量計測方法に関する。
　一般に、流量計は、計測対象の流体が計測管内に満たされていることを前提として、流体の流量を計測するようになっている（例えば、特許文献１）。
特開２００７－１０８１１６号（段落［０００２］～［０００３］）
　ところで、計測管内に異物が混入して、計測対象の流体と異物とからなる混相流が計測管内を流れることが考えられる。このような場合、異物に起因した計測誤差が発生し、流体の流量を精度よく計測することが困難であった。
　本発明は、計測精度の向上が図られる流量計及び流量計測方法の提供を目的とする。
　本発明の流量計は、流体が流れる計測管と、前記計測管の周りに配置された３個以上の複数の電極と、前記複数の電極から一の電極を順番に選択する電極選択手段と、前記一の電極から前記計測管内の流体に電圧を印加して、複数の電極から前記一の電極を除いた残りの電極のそれぞれと前記一の電極との間に流れる電流を検出するか、又は、前記一の電極から前記計測管内の流体に電流を印加して、前記複数の電極から前記一の電極を除いた残りの電極のそれぞれと前記一の電極との間にかかる電圧を検出する検出手段と、前記電極選択手段により選択される前記一の電極のそれぞれについて前記検出手段の検出結果を収集し、前記検出結果を行要素又は列要素とする行列を生成する行列生成手段と、前記計測管内を連続相及び分散相からなる混相流が移動する場合に前記行列生成手段が生成する第１の行列と前記計測管内を前記連続相のみが移動する場合に前記行列生成手段が生成する第２の行列の差行列の各要素を前記第２の行列の各要素で除してなる正規化行列を生成し、その正規化行列に基づいて、前記混相流における分散相の割合を演算する割合演算手段と、前記割合演算手段が演算した前記分散相の割合に基づいて、前記混相流における前記連続相の流量を演算する流量演算手段と、を有する。
　本発明の流量計測方法は、混相流における連続相の流量計測方法であって、流体が流れる計測管の周りに３個以上の複数の電極を配置することと、前記複数の電極から一の電極を選択し、その一の電極から前記計測管内の流体に電圧を印加して前記複数の電極から前記一の電極を除いた残りの電極のそれぞれと前記一の電極との間に流れる電流を検出するか、又は、前記一の電極から前記計測管内の流体に電流を印加して前記複数の電極から前記一の電極を除いた残りの電極のそれぞれと前記一の電極との間にかかる電圧を検出することと、前記計測管内を連続相及び分散相からなる混相流が移動するときに前記複数の電極から前記一の電極を順番に選択して、前記残りの電極により検出された電流又は電圧を行要素又は列要素とする第１の行列を生成することと、前記計測管内を前記連続相のみが移動するときに前記複数の電極から前記一の電極を順番に選択して、前記残りの電極により検出された電流又は電圧を行要素又は列要素とする第２の行列を生成することと、前記第１の行列と前記第２の行列の差行列の各要素を前記第２の行列の各要素で除して正規化行列を求め、その正規化行列に基づいて、前記分散相の割合を求めることと、前記分散相の割合に基づいて、前記混相流における連続相の流量を求めることと、を含む。
本発明の第１実施形態に係る流量計のブロック図 （Ａ）電極制御回路による電極の制御を説明するための概略図、（Ｂ）一の電極と残りの電極との関係を示す概略図 電極制御処理のフローチャート 電極制御処理による電流データ取得の流れを説明するための図 流量演算処理のフローチャート 正規化行列の生成の流れを説明するための図 （Ａ）異物の配置パターンを示す図、（Ｂ）異物の割合と正規化行列の要素の総和との関係を示すグラフ （Ａ）ケース１Ａの正規化行列の各列要素と電極との関係を示すグラフ、（Ｂ）ケース１Ｂの正規化行列の各列要素と電極との関係を示すグラフ、（Ｃ）ケース１Ｃの正規化行列の各列要素と電極との関係を示すグラフ （Ａ）ケース２Ａの正規化行列の各列要素と電極との関係を示すグラフ、（Ｂ）ケース２Ｂの正規化行列の各列要素と電極との関係を示すグラフ、（Ｃ）ケース２Ｃの正規化行列の各列要素と電極との関係を示すグラフ （Ａ）ケース３Ａの正規化行列の各列要素と電極との関係を示すグラフ、（Ｂ）ケース３Ｂの正規化行列の各列要素と電極との関係を示すグラフ、（Ｃ）ケース３Ｃの正規化行列の各列要素と電極との関係を示すグラフ 第２実施形態に係る流量計において、電極制御回路による電極の制御を説明するための概略図 異物流量演算処理のフローチャート 異物流量演算処理で行われる相互相関解析の流れを説明するための図
　［第１実施形態］
　図１及び図２（Ａ）に示されるように、本実施形態の流量計１０は、電磁流量計であって、検出部２０と制御部３０とから構成されている。検出部２０は、計測対象の流体が流れる計測管２１と、計測管２１の側方に配置された励磁コイル２２と、計測管２１の周りに固定されたｎ個（ｎ≧３。図１の例では、ｎ＝８）の電極２３と、を備えている。ｎ個の電極２３は、計測管２１の周方向で等間隔に配置されている。ｎ個の電極２３のうち互いに対向する１対の電極２３，２３は、１対の検出電極２４，２４を構成する。励磁コイル２２に励磁電流が流れると、計測管２１内を横切る磁束が発生する。ここで、１対の検出電極２４，２４は、磁束及び流体の流れの向きと直交する方向に対向配置されている。そして、計測管２１内に磁束が発生した状態でその磁束に直交して液体が流れると、１対の検出電極２４，２４間に液体の流速に比例した電位差が発生する。
　図１に示されるように、制御部３０は、主制御回路３１、励磁回路３２及び電圧検出回路３４を備えている。また、制御部３０は、流量計１０の計測結果を表示する表示装置３５を備えている。
　主制御回路３１は、ＣＰＵ３１Ａ、ＲＡＭ３１Ｂ、ＲＯＭ３１Ｃを備えている。具体的には、主制御回路３１は、ＲＯＭ３１Ｃに記憶された所定のプログラムを実行して励磁回路３２のスイッチ素子をオンオフ制御し、計測路２１内の磁束の向きが交互に切り替わるように励磁コイル２２，２２を励磁する。計測路２１内に発生した磁束を流体が横切ると、１対の検出電極２４，２４の間に電位差が生じる。この電位差は、電圧検出回路３４を介して主制御回路３１に取り込まれる。主制御回路３１は、検出電極２４，２４間の電位差に基づいて流体の流速を演算し、その流速に計測路２１の断面積を乗じて実測流量を算出する。そして、主制御回路３１は、後述する流量演算処理Ｓ２０（図５）を実行して実測流量を補正し、補正後の実測流量を表示装置３５に出力する。
　図１に示されるように、制御部３０は、電極制御回路３３を備えている。電極制御回路３３は、主制御回路３１からの制御信号を受けて図３に示す電極制御処理Ｓ１０を実行する。電極制御処理Ｓ１０では、まず、ｎ個の電極２３から一の電極２３を選択するための変数ｉをゼロに設定する（ステップＳ１１）。次いで、変数ｉを１インクリメントし（ステップＳ１２）、変数ｉに対応するｉ番目の電極２３から計測管２１内の流体に所定の電圧を印加する（ステップＳ１３）。ｉ番目の電極２３から電圧が印加されたら、図２（Ｂ）に示されるように、残りのｎ－１個の電極２３のそれぞれについて、ｉ番目の電極２３との間に流れる電流を検出する（ステップＳ１４）。
　ステップＳ１４が終了すると、変数ｉがｎであるか否かが判断される（ステップｓ１５）。変数ｉがｎでない場合（ステップＳ１５でＮｏ）、ステップＳ１２の処理に戻る。一方、変数ｉがｎである場合（ステップＳ１５でＹｅｓ）、変数ｉ＝１～ｎの全てについて検出した電流データを主制御回路３１に出力し（ステップＳ１６）、この電極制御処理Ｓ１０を終了する。
　このように、電極制御回路３３は、ｎ個の電極２３から１つずつ電極２３を選択し、選択した電極２３から計測管２１内の流体に電圧を印加する（ステップＳ１１～Ｓ１３、Ｓ１５）。次いで、電極制御回路３３は、ｎ個の電極２３から上記一の電極２３を除いた残りのｎ－１個の電極２３のそれぞれについて、一の電極２３との間に流れる電流を検出し（ステップＳ１４）、検出結果を主制御回路３１に出力する（ステップＳ１６）。
　図４には、電極制御回路３３が電流データを取得する流れが、電極２３の選択順に沿って示されている。図４の例では、ｎ＝８となっていて、８個の電極２３には、図４の反時計回りに順番に番号が付されている。そして、電極制御処理Ｓ１０のステップＳ１３では、変数ｉに対応する番号が付された電極２３から電圧が印加される。
　ところで、計測管２１内の流体に異物が存在すると、流量の計測誤差が生じる。流体が水の場合の異物としては、例えば、空気や油等が挙げられる。このような流量の計測誤差を抑制すべく、本実施形態の流量計１０では、主制御回路３１が、図５に示す流量演算処理Ｓ２０を実行して、実測流量を補正する。
　図５に示すように、流量演算処理Ｓ２０では、まず、正規化行列Ｉｄを生成する（ステップＳ２１）。正規化行列Ｉｄは、ｉ番目の電極２３から電圧を印加したときに残りのｎ－１個の電極２３に流れるｎ－１個の電流値を成分とするベクトルを電流ベクトルＩ（ｉ）とし、ｎ個の電流ベクトルＩ（１）、Ｉ（２）、・・・、Ｉ（ｎ）を列要素とする行列を電流行列Ｉ（ｎ，ｎー１）とし、実測データに基づく電流行列Ｉ（ｎ，ｎ－１）を第１の行列Ｉｍとし、計測管２１内に異物が存在しない場合の電流行列Ｉ（ｎ，ｎ－１）を第２の行列Ｉｈとしたときに、正規化行列Ｉｄ＝（Ｉｈ－Ｉｍ）／Ｉｈで表される。図６には、ステップＳ２１の処理で正規化行列Ｉｄが生成される流れが概念的に示されている。第２の行列Ｉｈは、主制御回路３１のＲＯＭ３１Ｃに記憶されている。なお、第２の行列Ｉｈは、流量計１０から予め算出されたものであってもよいし、シミュレーション実験によって算出されたものであってもよい。
　図５に示されるように、正規化行列Ｉｄが生成されると、次いで、正規化行列Ｉｄの要素の総和Ｓを算出し（ステップＳ２２）、その総和Ｓに基づいて異物の割合を算出する（ステップＳ２３）。ここで、後に詳述するように、正規化行列Ｉｄの要素の総和Ｓは、異物の割合に比例する（図７（Ｂ））。また、正規化行列Ｉｄの要素の総和Ｓは、異物の割合が同じであれば、計測管２１内の異物の分布に依らず同じとなる。
　図５に示されるように、異物の割合が算出されると、その割合に基づいて実測流量を補正し（ステップＳ２４）、この流量演算処理Ｓ２０を終了する。ここで、流量の計測誤差は異物の割合にほぼ比例して大きくなる。従って、ステップＳ２４の処理では、異物の割合と計測誤差の比例式に基づいて、流体の流量を演算する。なお、ステップＳ２４で用いられる比例式は、主制御回路３１のＲＯＭ３１Ｃに記憶されている。
　このように、本実施形態の流量計１０では、連続相としての流体と分散相としての異物とからなる混相流が計測管２１内を流れる場合に、異物（分散相）の割合を求め、その割合に基づいて、実測した流体（連続相）の流量を補正する。これにより、流量計１０では、計測精度の向上が図られる。
　図７～図１０には、異物の割合や分布と正規化行列Ｉｄとの関係をシミュレーション実験により検証した結果が示されている。なお、このシミュレーション実験では、電極２３の数ｎが１６になっていて、変数ｉの増加に伴って電極２３が反時計方向に配置され、変数ｉ＝１に対応する電極２３が紙面の右側に配置されている。
　図７（Ａ）には、計測管２１の断面における異物の分布が示されている。また、図７（Ｂ）には、正規化行列Ｉｄの要素の総和Ｓに対して割合がプロットされたグラフが示されている。図７（Ａ）におけるケース１Ａ，１Ｂ，１Ｃ及びケース３Ａ，３Ｂ，３Ｃでは、異物の数や分布は異なっているが、異物の割合は略同じになっている。また、ケース２Ａ，２Ｂ，２Ｃでは、ケース１Ａ，１Ｂ，１Ｃ及びケース３Ａ，３Ｂ，３Ｃよりも異物の割合が小さくなっている。
　図７（Ｂ）に示されるように、正規化行列Ｉｄの要素の総和Ｓは、異物の割合が同じであれば、異物の分布に関係なく同じ値をとる。また、正規化行列Ｉｄの要素の総和Ｓは、異物の割合に比例して大きくなる。これらのことから、正規化行列Ｉｄの要素の総和Ｓから異物の割合を算出できることが確認できる。
　図８には、ケース１Ａ，１Ｂ，１Ｃ（図７（Ａ）の上段）のそれぞれの正規化行列Ｉｄについて、列要素を電極２３に対応する変数ｉに対してプロットしたグラフが示されている。図９には、ケース２Ａ，２Ｂ，２Ｃ（図７（Ａ）の中段）のそれぞれの正規化行列Ｉｄについて、列要素を電極２３に対応する変数ｉに対してプロットしたグラフが示されている。図１０には、ケース３Ａ，３Ｂ，３Ｃ（図７（Ａ）の下段）のそれぞれの正規化行列Ｉｄについて、列要素を電極２３に対応する変数ｉに対してプロットしたグラフが示されている。なお、図８～図１０に示すグラフの横軸の番号は変数ｉに対応している。
　ケース１Ａの場合、即ち、一つの異物が計測管２１の外縁寄りに配置されている場合には、図８（Ａ）に示されるように、電極２３同士の間で電流値の変化量（詳細には、異物が混入することによる電流値の変化量）に偏りが生じ、異物の近くにある電極２３（変数ｉ＝５に対応する電極２３）へ流れる電流値の変化量が大きくなる。また、ケース１Ｂの場合、即ち、ケース１Ａの場合よりも異物が計測管２１の中心側に配置されている場合についても、図８（Ｂ）に示されるように、異物の近くにある電極２３（変数ｉ＝５に対応する電極２３）へ流れる電流値の変化量が大きくなる。ケース１Ａにおいて異物の近くにある電極２３へ流れる電流値の変化量は、ケース１Ｂにおいて異物の近くにある電極２３へ流れる電流値の変化量よりも大きくなっている。また、ケース１Ｃの場合、即ち、異物が計測管２１の中心に配置されている場合には、図８（Ｃ）に示されるように、電極２３同士の間での電流値の変化量の偏りがなくなり、ケース１Ａ，１Ｂの場合と比較して電流値の変化量のピーク値が小さくなる。
　図９（Ａ）～９（Ｃ）に示されるように、ケース２Ａ～２Ｃについても、ケース１Ａ～１Ｃと同様の結果が確認できる。また、上述したように、ケース２Ａ，２Ｂ，２Ｃでは、異物の割合が小さくなっていることから、図９（Ａ），９（Ｂ），９（Ｃ）の各グラフにおける縦軸の値（即ち、正規化行列Ｉｄの要素の値）は、図８（Ａ），８（Ｂ），８（Ｃ）の各グラフにおける縦軸の値よりも小さくなっている。詳細には、ケース２Ａ～２Ｃにおける異物の割合はケース１Ａ～１Ｃにおける異物の割合の約４分の１になっていて、図９（Ａ）～９（Ｃ）のグラフの縦軸の値は図８（Ａ）～８（Ｃ）のグラフの縦軸の値の約４分の１になっている。
　ケース３Ａの場合、即ち、複数の異物が計測管２１の外縁寄りにかたまって配置されている場合には、図１０（Ａ）に示されるように、電極２３同士の間で電流値の変化量に偏りが生じ、異物の近くにある電極２３（変数ｉ＝５，６に対応する電極２３）へ流れる電流値の変化量が大きくなる。ケース３Ｂの場合、即ち、複数の異物が計測管２１の外縁寄りにバラバラに配置されている場合についても、図１０（Ｂ）に示されるように、異物の近くにある電極２３（変数ｉ＝１，１１に対応する電極２３）へ流れる電流値の変化量が大きくなる。また、ケース３Ｃの場合、即ち、複数の異物が計測管２１の中心付近で周方向に等間隔に配置されている場合には、電極２３同士の間での電流値の変化量の偏りがなくなり、ケース３Ａ，３Ｂの場合と比較して電流値の変化量のピーク値が小さくなる。
　このように、図８～図１０に示すシミュレーション実験の結果から、電極２３同士の間で電流値の変化量に偏りがある場合には、異物は、電流値の変化量の大きい電極２３の近くに存在し、電流値の変化量の小さい電極２３から離れていることが分かる。また、異物が電極２３の近くに存在する場合には、その電極２３へ流れる電流値の変化量が大きくなるほど、異物は電極２３の近くに存在することが分かる。
　本実施形態の流量計１０の構成に関する説明は以上である。次に、流量計１０の作用効果について説明する。
　本実施形態の流量計１０では、計測管２１の周りに配置された複数の電極２３から一の電極２３を順番に選択し、一の電極２３から計測管２１内の流体に電圧を印加して、残りの電極２３のそれぞれと一の電極２３との間に流れる電流を検出し、その検出結果を列要素とする行列を生成する。具体的には、流量計１０では、計測管２１内に異物が存在する場合に生成される第１の行列Ｉｍと計測管２１内を流体のみが移動する場合に生成される第２の行列Ｉｈとから、第１の行列Ｉｍと第２の行列Ｉｈの差行列の各要素を第２の行列Ｉｈの各要素で除してなる正規化行列Ｉｄを生成し、その正規化行列Ｉｄに基づいて、異物の割合を演算する。そして、流量計１０では、異物の割合に基づいて、実測流量を補正する。これにより、流量計１０では、流体の流量の計測精度を向上させることが可能となる。
　また、本実施形態の流量計１０では、正規化行列Ｉｄの列要素に着目することで、複数の電極２３のうち何れの電極２３の近くに異物が存在しているかを推測することが可能となる。これにより、異物の位置を特定することが可能となる。
　また、本実施形態の流量計１０は、電磁式になっていて、複数の電極２３のうち対向する１対の電極２３，２３が、流体によって発生する電位差を検出する１対の検出電極２４，２４となっている。この構成によれば、異物の割合を求めるための複数の電極２３の一部を流体の流量を計測するための検出電極２４に兼用でき、流量計１０のコンパクト化が図られる。
　なお、本実施形態では、主制御回路３１が本発明の「行列生成手段」、「割合演算手段」及び「流量演算手段」に相当し、電極制御回路３３が本発明の「電極選択手段」及び「検出手段」に相当する。
　［第２実施形態］
　本実施形態の流量計１０Ｖは、上記第１実施形態の流量計１０を変形したものであり、図１１に示されるように、ｎ個の電極２３からなる電極ユニット２３Ｕを１対備えている。１対の電極ユニット２３Ｕ，２３Ｕは、計測管２１の流れ方向に所定の距離Ｌだけ離れて配置されている。電極制御回路３３は、各電極ユニット２３Ｕについて、上述した電極制御処理Ｓ１０（図３）を実行し、各電極ユニット２３Ｕから電流データを取得する。主制御回路３１は、１対の電極ユニット２３Ｕ，２３Ｕのうち一方又は両方の電極ユニット２３Ｕが取得した電流データを用いて流量演算処理Ｓ２０（図５）を実行し、流体の流量を演算する。
　ここで、１対の電極ユニット２３Ｕ，２３Ｕの間では、一の電極２３から計測管２１内の流体に印加する電圧の周波数が異なっている。これにより、流量計１０Ｖでは、電流の検出にあたって、１対の電極ユニット２３Ｕ，２３Ｕ間での干渉を避けることが可能となる。
　本実施形態の流量計１０Ｖは、異物の流量も演算する。異物の流量の演算にあたって、主制御回路３１は、流量演算処理Ｓ２０に加えて、図１２に示される異物流量演算処理Ｓ３０を実行する。
　異物流量演算処理Ｓ３０では、まず、上流側の電極ユニット２３Ｕの検出結果から生成される正規化行列Ｉｄ１（以下、「上流側正規化行列Ｉｄ１」という。）の時系列変化と、下流側の電極ユニット２３Ｕの検出結果から生成される正規化行列Ｉｄ２（以下、「下流側正規化行列Ｉｄ２」という。）の時系列変化について、相互相関解析を行う（ステップＳ３１）。具体的には、上流側正規化行列Ｉｄ１の要素の総和Ｓの時系列変化と、下流側正規化行列Ｉｄ２の要素の総和Ｓの時系列変化を評価し、２つの時系列変化の時間のズレ量Δｔを求める。
　次いで、相互相関解析の結果に基づいて、異物の流速を算出する（ステップＳ３２）。具体的には、ステップＳ３１の処理で求めた時間のズレ量Δｔと、上流側の電極ユニット２３Ｕと下流側の電極ユニット２３Ｕとの距離Ｌとから、異物の平均流速を求める。
　次いで、流量演算処理Ｓ２０（図５）で求めた異物の割合と異物の平均流速とから、異物の流量を算出し（ステップＳ３３）、この異物流量演算処理Ｓ３０を終了する。なお、図１３には、異物流量演算処理Ｓ３０で行われる相互相関解析の流れが概念的に示されている。
　本実施形態の流量計１０Ｖによれば、流体の流量だけでなく異物の流量も計測することが可能となる。なお、本実施形態では、主制御回路３１が請求項５に記載の「流速演算手段」及び「流量演算手段」に相当する。
　［他の実施形態］
　（１）上記実施形態では、本発明を電磁流量計に適用した例を示したが、例えば、羽根車式流量計や超音波流量計に適用してもよい。
　（２）上記実施形態において、複数の電極２３の中から選択された一の電極２３から計測管２１内の流体に電圧を印加する代わりに電流を印加してもよい。この場合、電極制御回路３３は、当該一の電極２３と残りの電極２３のそれぞれとの間にかかる電圧を検出し、その電圧データを主制御回路３１に出力する。本構成によっても、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。なお、上記第２実施形態では、１対の電極ユニット２３Ｕ，２３Ｕの間で印加電流の周波数を異ならせればよい。
　（３）上記実施形態では、電流データを列要素とする行列を生成していたが、電流データを行要素とする行列を生成してもよい。
　（４）上記実施形態において、混相流における連続相／分散相の組合せは、気体／気体、気体／液体、気体／固体、液体／気体、液体／液体、液体／固体の何れであってもよい。連続相が気体で分散相が固体の例としては、空気と塵の組合せが挙げられる。連続相が液体で分散相が気体の例としては、水と空気の組合せが挙げられる。連続相と分散相が共に液体である例としては、水とオイルの組合せが挙げられる。
　（５）上記第２実施形態では、１対の電極ユニット２３Ｕ，２３Ｕの検出結果から得られる正規化行列Ｉｄの要素の総和Ｓの時系列変化について、相互相関解析が行われていたが、正規化行列Ｉｄの一部の要素（例えば、列要素や行列要素）の時系列変化について、相互相関解析が行われてもよい。具体的には、上流側正規化行列Ｉｄ１の一部の要素と、下流側正規化行列Ｉｄ２の一部の要素との類似度を評価し、類似度の高い要素同士の時間のズレ量Δｔを求める。このとき、類似度の高い要素同士は、正規化行列Ｉｄにおいて同じ場所に配置されている必要はなく、例えば、上流側正規化行列Ｉｄ１の1列目の列要素と下流側正規化行列Ｉｄ２の２列目の列要素の類似度が高くなってもよい。この場合には、計測管２１の流れ方向に沿った異物の流速だけでなく、計測管２１の径方向に沿った異物の流速を求めることが可能となる。
　（６）上記実施形態において、複数の電極２３とは別に、１対の検出電極２４，２４を備えた構成としてもよい。
　１０　　流量計
　２１　　計測管
　２３　　電極
　３１　　主制御回路
　３３　　電極制御回路

Claims (6)

  1. 　流体が流れる計測管と、
    　前記計測管の周りに配置された３個以上の複数の電極と、
    　前記複数の電極から一の電極を順番に選択する電極選択手段と、
    　前記一の電極から前記計測管内の流体に電圧を印加して、複数の電極から前記一の電極を除いた残りの電極のそれぞれと前記一の電極との間に流れる電流を検出するか、又は、前記一の電極から前記計測管内の流体に電流を印加して、前記複数の電極から前記一の電極を除いた残りの電極のそれぞれと前記一の電極との間にかかる電圧を検出する検出手段と、
    　前記電極選択手段により選択される前記一の電極のそれぞれについて前記検出手段の検出結果を収集し、前記検出結果を行要素又は列要素とする行列を生成する行列生成手段と、
    　前記計測管内を連続相及び分散相からなる混相流が移動する場合に前記行列生成手段が生成する第１の行列と前記計測管内を前記連続相のみが移動する場合に前記行列生成手段が生成する第２の行列の差行列の各要素を前記第２の行列の各要素で除してなる正規化行列を生成し、その正規化行列に基づいて、前記混相流における分散相の割合を演算する割合演算手段と、
    　前記割合演算手段が演算した前記分散相の割合に基づいて、前記混相流における前記連続相の流量を演算する流量演算手段と、を有する流量計。
  2. 　請求項１に記載の流量計であって、
    　前記割合演算手段は、前記正規化行列の要素の総和に基づいて、前記分散相の割合を演算する。
  3. 　請求項１又は２に記載の流量計であって、
    　前記複数の電極で構成される電極ユニットが、前記混相流の移動方向に所定の距離だけ離して１対備えられ、
    　上流側に配される前記電極ユニットの検出結果から生成される前記正規化行列と、下流側に配される前記電極ユニットの検出結果から生成される前記正規化行列と、の相関性を判断し、相関性が高い２つの正規化行列に基づいて前記分散相の流速を演算する流速演算手段と、を有し、
    　前記流量演算手段は、前記割合演算手段が演算した前記分散相の割合と、前記流速演算手段が求めた前記分散相の流速と、から前記分散相の流量を演算する。
  4. 　請求項３に記載の流量計であって、
    　１対の前記電極ユニットの間で、前記一の電極から印加する電圧又は電流の周波数が異なっている。
  5. 　請求項１乃至４のうち何れか１の請求項に記載の流量計であって、
    　前記複数の電極のうち対向する１対の電極を、前記流体によって発生する電位差を検出する１対の検出電極として備える。
  6. 　混相流における連続相の流量計測方法であって、
    　流体が流れる計測管の周りに３個以上の複数の電極を配置することと、
    　前記複数の電極から一の電極を選択し、その一の電極から前記計測管内の流体に電圧を印加して前記複数の電極から前記一の電極を除いた残りの電極のそれぞれと前記一の電極との間に流れる電流を検出するか、又は、前記一の電極から前記計測管内の流体に電流を印加して前記複数の電極から前記一の電極を除いた残りの電極のそれぞれと前記一の電極との間にかかる電圧を検出することと、
    　前記計測管内を連続相及び分散相からなる混相流が移動するときに前記複数の電極から前記一の電極を順番に選択して、前記残りの電極により検出された電流又は電圧を行要素又は列要素とする第１の行列を生成することと、
    　前記計測管内を前記連続相のみが移動するときに前記複数の電極から前記一の電極を順番に選択して、前記残りの電極により検出された電流又は電圧を行要素又は列要素とする第２の行列を生成することと、
    　前記第１の行列と前記第２の行列の差行列の各要素を前記第２の行列の各要素で除して正規化行列を求め、その正規化行列に基づいて、前記分散相の割合を求めることと、
    　前記分散相の割合に基づいて、前記混相流における連続相の流量を求めることと、を含む。
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