JP5323062B2 - 振動型流量計、及び流動物質内の混入気体を補正するための方法 - Google Patents

Description

本発明は振動型流量計及び方法に関し、より詳細には、流動物質（ｆｌｏｗ ｍａｔｅｒｉａｌ）内の混入気体を補正するための振動型流量計及び方法に関する。

コリオリ質量流量計及び振動型密度計などの振動型導管センサは、一般に、流動物質を収容する振動導管の運動を検出することによって動作する。質量流量、密度などの導管内の物質に関する特性は、導管に関連する運動変換器から受けた測定信号を処理することによって決定できる。振動する、物質で満たされたシステムの振動モードは、一般的に、収容する導管及びその中に収容された物質の質量、剛性及び減衰の特性の組合せにより影響を受ける。

典型的なコリオリ質量流量計は、パイプライン又はその他の移送システム内に直列に接続され、システム内の流体、スラリなどの物質を搬送する１つ又は複数の導管を備える。各導管は、例えば、単純曲げ、捻り、ラジアル及び結合のモードなどを含む一組の固有振動モードを有すると見なすことができる。典型的なコリオリ質量流量測定の適用において、物質が導管を通って流れるとき、導管は１つ又は複数の振動モードで励振され、導管の運動は、導管に沿って間隔を置いて配置された点において測定される。励振は、典型的に、例えば周期的な様式で導管を動揺させるボイスコイル型駆動装置のような電気機械装置などのアクチュエータによって与えられる。質量流量は、変換器の位置での運動の間の時間遅延又は位相差を測定することによって決定できる。２つのそのような変換器（又はピックオフ・センサ）は、典型的に１つ又は複数の流れ導管の振動応答を測定するために使用され、典型的にはアクチュエータの上流及び下流の位置に配置される。２つのピックオフ・センサが、２つの独立の対のワイヤになどによる配線によって電子機器に接続される。機器は、２つのピックオフ・センサからの信号を受け、質量流量測定値を導出するために信号を処理する。

流量計は、多種多様な流体の流れに関する質量流量測定を行うために使用される。コリオリ流量計を使用可能にすることができる１つの領域は、油井及びガス井の計測である。そのような坑井の生産物は例えば油又は気体を含むが、水及び空気を含む他の成分も含む多相流を含む可能性がある。その結果行われる計測は、そのような多相流に関しても可能な限り正確であることが非常に望ましい。

コリオリ計は、単相流に関して高い精度を示す。しかし、コリオリ流量計を使用して泡立った流体又は混入気体を含む流体を測定する場合、計器の精度が大幅に劣化する可能性がある。混入気体は、一般に流動物質内の気泡として存在する。パイプライン内に存在する気体の量、流動物質の圧力、温度及び混合度に応じて、気泡のサイズは変わり得る。性能低下の範囲は、気体全体がどの程度存在するかに関連するだけでなく、流れの中の個々の気泡のサイズにも関連する。気泡のサイズは測定精度に影響を与える。気泡が大きいほど、それが占める体積が大きくなり、流動物質の密度の揺らぎを生じる。気体の圧縮性により、気泡は気体の量において変化し得るが、大きさにおいては必ずしも変化しない。反対に、圧力が変化すると、気泡のサイズは対応して変化することができ、圧力が低下すると膨張し、圧力が上昇すると縮小する。これは、流量計の固有振動数又は共振振動数の変化を生じる可能性もある。

気泡によって生じる別の問題は滑り（ｓｌｉｐｐａｇｅ）である。小さな気泡は、典型的には、流量計が振動されると液体の流動物質とともに移動する。しかし、より大きな気泡は、流管の振動期間に液体とともに移動しない。その代わりに、気泡は液体から分離され、液体から独立に移動する可能性がある。したがって、液体は気泡の周りを流れることができる。これは流量計の振動応答に悪影響を及ぼす。

当該技術分野では、混入気体の問題となるレベルを検出する振動型流量計が求められている。当該技術分野では、混入気体の存在下での流れ特性を精密に測定することができる振動型流量計が求められている。当該技術分野では、任意のレベルの混入気体の流れ特性を精密に測定することができる振動型流量計が求められている。

流動物質での混入気体を補正する振動型流量計が、本発明の実施形態によって提供される。振動型流量計は、流動物質に関する振動応答を生成するように構成された流量計組立体と、流動物質に関する気泡測定信号を生成するように構成された気泡振動センサと、流量計組立体及び気泡振動センサに結合された計器電子回路とを備える。計器電子回路は、振動応答及び気泡測定信号を受け、少なくとも気泡測定信号を使用して流動物質内にある気泡のサイズを決定し、少なくとも振動応答及び気泡のサイズを使用して流動物質の１つ又は複数の流れ特性を決定するように構成されている。

流動物質での混入気体を補正する振動型流量計が、本発明の実施形態によって提供される。振動型流量計は、流動物質に関する振動応答を生成するように構成された流量計組立体と、流動物質に関する気泡測定信号を生成するように構成された気泡振動センサと、流量計組立体及び気泡振動センサに結合された計器電子回路とを備える。計器電子回路は、振動応答及び気泡測定信号を受け、少なくとも気泡測定信号を使用して流動物質内にある気泡のサイズを決定し、少なくとも振動応答を使用して流動物質の１つ又は複数の流れ特性を決定し、気泡のサイズが所定のサイズ閾値を超える場合に警報を生成するように構成され、警報は１つ又は複数の流れ特性が所定の測定許容値を超えたことを示す。

流動物質での混入気体を補正する方法が、本発明の実施形態によって提供される。方法は、少なくとも流動物質の振動測定を使用して、流動物質内の気泡のサイズを決定するステップと、流管組立体を振動させることによって振動応答を生成するステップと、少なくとも振動応答及び気泡のサイズを使用して１つ又は複数の流れ特性を決定するステップとをさらに含む。

流動物質での混入気体を補正する方法が、本発明の実施形態によって提供される。方法は、少なくとも流動物質の振動測定を使用して、流動物質内の気泡のサイズを決定するステップと、流管組立体を振動させることによって振動応答を生成するステップと、少なくとも振動応答を使用して流動物質の１つ又は複数の流れ特性を決定するステップと、気泡のサイズが所定のサイズ閾値を超える場合に警報を生成するステップとを含み、警報は１つ又は複数の流れ特性が所定の測定許容値を超えたことを示す。

振動型流量計の１つの態様では、気泡サイズ・センサは、流動物質内の１つ又は複数の気泡の振動に対する気泡応答を測定する。

振動型流量計の別の態様では、気泡サイズ・センサは、流動物質を振動させ、振動に対する気泡応答を測定する。

振動型流量計のさらに別の態様では、気泡サイズ・センサは、流動物質を音響的に振動させ、振動に対する気泡応答を測定する。

振動型流量計のさらに別の態様では、気泡振動センサは、流量計組立体から分離し且つ独立している。

振動型流量計のさらに別の態様では、気泡振動センサは、流量計組立体の一部分として形成される。

振動型流量計のさらに別の態様では、気泡振動センサは、流量計組立体の少なくとも１つのピックオフ・センサを備える。

振動型流量計のさらに別の態様では、気泡のサイズを決定することは、流動物質内の実質的に最大の気泡のサイズを決定することを含む。

振動型流量計のさらに別の態様では、気泡のサイズを決定することは、所定のサイズ閾値より上の流動物質内の気泡のサイズを決定することをさらに含む。

振動型流量計のさらに別の態様では、計器電子回路は、気泡のサイズが所定のサイズ閾値を超える場合に警報を生成するようにさらに構成され、警報は、１つ又は複数の流れ特性が所定の測定許容値を超えたことを示す。

振動型流量計の別の態様では、気泡サイズ出力を生成することをさらに含む。

振動型流量計のさらに別の態様では、気泡のサイズが所定のサイズ閾値を超える場合に、流れ状態の変化の表示を生成することをさらに含む。

振動型流量計のさらに別の態様では、１つ又は複数の流れ特性を決定することは、気泡のサイズが所定のサイズ閾値を超える場合にのみ、少なくとも振動応答及び気泡のサイズを使用して１つ又は複数の流れ特性を決定することをさらに含む。

振動型流量計のさらに別の態様では、警報を生成することは、気泡のサイズを示す気泡サイズ出力を生成することをさらに含む。

振動型流量計のさらに別の態様では、警報を生成することは、流動物質内の実質的に最大の気泡サイズの出力を生成することをさらに含む。

振動型流量計のさらに別の態様では、警報を生成することは、気泡のサイズが所定のサイズ閾値を超える場合に、流れ状態の変化の表示を生成することをさらに含む。

振動型流量計のさらに別の態様では、計器電子回路は、少なくとも振動応答及び気泡のサイズを使用して、１つ又は複数の流れ特性を決定するようにさらに構成される。

方法の１つの態様では、気泡のサイズを決定するステップは、流動物質内の実質的に最大の気泡のサイズを決定するステップを含む。

方法の別の態様では、気泡のサイズを決定するステップは、所定のサイズ閾値より上の流動物質内の気泡のサイズを決定するステップをさらに含む。

方法のさらに別の態様では、方法は、気泡のサイズが所定のサイズ閾値を超える場合に警報を生成するステップであって、警報は１つ又は複数の流れ特性が所定の測定許容値を超えたことを示すステップをさらに含む。

方法のさらに別の態様では、気泡サイズ出力を生成するステップをさらに含む。

方法のさらに別の態様では、方法が、気泡のサイズが所定のサイズ閾値を超える場合に、流れ状態の変化の表示を生成するステップをさらに含む。

方法のさらに別の態様では、流れ特性を決定するステップが、気泡のサイズが所定のサイズ閾値を超える場合にのみ、少なくとも振動応答及び気泡のサイズを使用して１つ又は複数の流れ特性を決定するステップをさらに含む。

方法のさらに別の態様では、警報を生成するステップは、気泡サイズ出力を生成するステップをさらに含む。

方法のさらに別の態様では、警報を生成するステップは、気泡のサイズが所定のサイズ閾値を超える場合に、流れ状態の変化の表示を生成するステップをさらに含む。

方法のさらに別の態様では、方法が、少なくとも振動応答及び気泡のサイズを使用して、１つ又は複数の流れ特性を決定するステップをさらに含む。

方法のさらに別の態様では、１つ又は複数の流れ特性を決定するステップは、気泡のサイズが所定のサイズ閾値を超える場合にのみ、少なくとも振動応答及び気泡のサイズを使用して１つ又は複数の流れ特性を決定するステップをさらに含む。

流量計組立体及び計器電子回路を備える流量計を示す。 本発明の実施形態による振動型流量計を示す。 振動型流量計での流動物質内の混入気体に関して補正を行う方法の流れ図である。 流動物質内の統計的な気泡のサイズ分布のグラフを示す。 流体の流動物質に対して移動する半径Ｒの気泡を示す。 流体の流動物質内の滑りの前後の置換された流体の体積及び気泡を示す。 振動型流量計での流動物質内の混入気体に関して補正を行う方法の流れ図である。 本発明の実施形態による振動型流量計を示す。 本発明の実施形態による振動型流量計を示す。

図１〜図９及び以下の説明は、本発明の最良の形態をどのように製作し、それを用いるかを当業者に教示するための特定の例を示す。本発明の原理を教示する目的で、いくつかの従来の態様が簡略化され、又は省略されている。当業者は、本発明の範囲内に収まるこれらの例から変形を認識するであろう。当業者は、下記に説明された特徴が、本発明の複数の変形を形成するために様々な様式で結合できることを認識するであろう。その結果、本発明は下記に説明する特定の例に限定されず、特許請求の範囲及びその等価物によってのみ限定される。

図１は、流量計組立体１０及び計器電子回路２０を備える流量計５を示す。計器電子回路２０は、リード線１００を介して計器組立体１０に接続され、また、密度、質量流量、体積流量、総質量流量、温度及びその他の情報の測定値の１つ又は複数を、通信経路２６によって提供するように構成されている。当業者には理解されるように、本発明は、駆動装置、ピックオフ・センサ、流れ導管の数又は振動の動作モードにかかわらず、任意の型式のコリオリ流量計に使用できることが明らかである。さらに、代替として流量計５が振動型濃度計を備えることができる。

流量計組立体１０は、一対のフランジ１０１及び１０１’、マニホルド１０２及び１０２’、駆動装置１０４、ピックオフ・センサ１０５及び１０５’、及び流れ導管１０３Ａ及び１０３Ｂを備える。駆動装置１０４、ならびにピックオフ・センサ１０５及び１０５’は、流れ導管１０３Ａ及び１０３Ｂに接続される。

１つの実施形態では、流管１０３Ａ及び１０３Ｂは、図示されるように実質的にＵ字形の流管を備える。あるいは、別の実施形態では、流管は、実質的に真っ直ぐな流管を備えることができる。しかし、その他の形状も使用することができ、それらは明細書及び特許請求の範囲の範囲内にある。

フランジ１０１及び１０１’は、マニホルド１０２及び１０２’に固定される。マニホルド１０２及び１０２’は、スペーサ１０６の両端に固定できる。スペーサ１０６は、流れ導管１０３Ａ及び１０３Ｂ内の望ましくない振動を防止するために、マニホルド１０２と１０２’の間の空間を維持する。流量計組立体１０が、測定される流動物質を保持する導管システム（図示されない）に挿入された場合、流動物質はフランジ１０１を通って流量計組立体１０に入り、入口マニホルド１０２を通過し、そこで流動物質の総量が流れ導管１０３Ａ及び１０３Ｂに入るように流され、流れ導管１０３Ａ及び１０３Ｂを通って流れ、出口マニホルド１０２’に戻され、そこで、物質はフランジ１０１’を通って計器組立体１０を出る。

流れ導管１０３Ａ及び１０３Ｂは、それぞれＷ−Ｗ及びＷ’−Ｗ’の曲げ軸の周りで実質的に同じ質量分布、慣性モーメント及び弾性率を有するように選択され、入口マニホルド１０２及び出口マニホルド１０２’に適切に装着される。流れ導管１０３Ａ及び１０３Ｂは、基本的に平行な様式でマニホルド１０２及び１０２’から外側に延びる。

流れ導管１０３Ａ及び１０３Ｂは、それぞれ曲げ軸Ｗ及びＷ’の周りを互いに反対方向に、流量計５の第１の位相ずれ曲げモードと呼ばれるもので、駆動装置１０４によって駆動される。駆動装置１０４は、流れ導管１０３Ａに装着されたマグネット及び流れ導管１０３Ｂに装着された対向コイルなどの、多くのよく知られた構成のうちの１つを備えることができる。交流電流が対向コイルに流されて、両方の導管が振動する。適切な駆動信号が、リード線１１０を介して計器電子回路２０によって駆動装置１０４に加えられる。

計器電子回路２０は、それぞれリード線１１１及び１１１’のセンサ信号を受け取る。計器電子回路２０は、リード線１１０の駆動信号を生成し、それによって駆動装置１０４が流れ導管１０３Ａ及び１０３Ｂを振動させる。計器電子回路２０は、質量流量を計算するために、ピックオフ・センサ１０５及び１０５’からの左右の速度信号を処理する。通信経路２６は、計器電子回路２０がオペレータ又はその他の電子システムと相互連絡できるようにする入出力手段を提供する。図１の説明は、コリオリ流量計の動作の例として提供されているに過ぎず、本発明の教示を限定するものではない。

流動物質内に混入された空気（又は任意の気体）がある場合に、１つ又は複数の流れ特性を測定する際の１つの共通した問題が生じる。混入気体は、様々な大きさの気泡として存在することができる。気泡が比較的小さな場合、それらは流れ測定に与える影響が無視できるほどである。しかし、気泡のサイズが増大すると、流れ測定の誤差も増大する。

図２は、本発明の実施形態による振動型流量計９９を示す。振動型流量計９９は、流量計組立体１０、気泡サイズ・センサ５０及び計器電子回路２０を備える。計器電子回路２０は、リード線１００によって流量計組立体１０に結合されている。計器電子回路２０は、この図に示される実施形態での１つ又は複数のリード線５１によって気泡サイズ・センサ５０に結合されている。流量計組立体１０及び気泡サイズ・センサ５０は、流動物質を導く導管９０に結合できる。流動物質は２相流又は多相流を含むことができる。

流量計９９は、改善された流れ特性測定を生成する。流れ特性測定は、流動物質内の混入気体の気泡の存在下で改善される。例えば、流量計９９は、流動物質に関する改善された密度測定を生成することができる。しかし、流量計９９はさらに、流動物質の流量測定を行うことができることを理解されたい。その結果、流量計９９は、振動型密度計及び／又はコリオリ流量計を備えることができる。その他の追加の流れ測定を生成することができ、それは明細書及び特許請求の範囲の範囲内にある。

１つの実施形態での計器電子回路２０は、流管１０３Ａ及び１０３Ｂを振動させるように構成されている。振動は駆動装置１０４によって行われる。計器電子回路２０はさらに、それによって生じる振動信号をピックオフ・センサ１０５及び１０５’から受ける。振動信号は、流管１０３Ａ及び１０３Ｂの振動応答を含む。計器電子回路２０は、振動応答を処理し、密度、質量及び／又は体積流量などの１つ又は複数の流れ特性を決定する。

気泡サイズ・センサ５０は、振動型流量計９９の一体の部分をなすことができ、流量計組立体１０の一部分として形成できる。あるいは、気泡サイズ・センサ５０は、流量計組立体１０から分離し、独立した、別個の構成要素をなすことができる。別の代替では、気泡サイズ・センサ５０は流量計組立体１０の一部分であることができ、流量計組立体１０の少なくとも１つのピックオフ・センサ１０５及び／又は１０５’を備えることができる。

気泡サイズ・センサ５０は、流動物質に対する気泡測定信号を生成するように構成される。気泡サイズ・センサ５０は、流動物質内の１つ又は複数の気泡の振動に対する気泡応答を測定し、気泡振動応答から気泡測定信号を生成できる。気泡サイズ・センサ５０は気泡振動を受動的に検出できる。あるいは、気泡サイズ・センサ５０は、流動物質を振動させることができ、次いで振動に対する気泡応答を測定することができる。いくつかの実施形態では、振動は音響振動を含む。あるいは、他の実施形態では、振動は非音響式である。

気泡サイズ・センサ５０は、いくつかの実施形態では、振動を生成して検出する能動装置を備える。気泡サイズ・センサ５０は、この実施形態では、対応する流れ導管又は流動物質を振動させることができ、それによって生じる振動を受けることができる。誘起された振動は、流動物質内の混入気体の気泡のサイズを決定するために分析することができる。あるいは、気泡サイズ・センサ５０は、導管のポートを通るなど、流れを直接的に振動させることができる。あるいは、他の実施形態では、気泡サイズ・センサ５０は、単に振動を検出し、受ける受動装置を備える。気泡サイズ・センサ５０は、例えば、流量計組立体１０の導管を含む導管の振動を検出でき、又は流動物質の振動を直接的に検出できる。気泡サイズ・センサ５０は、流動物質の流れによって生成された振動を受けることができ、振動が気泡の１つ又は複数の大きさを決定するように処理できる。

流量計組立体１０は、流動物質に関する振動応答を生成するように構成される。計器電子回路２０は、とりわけ気泡のサイズを決定するために、気泡測定信号及び振動応答を受け取って処理することができる。計器電子回路２０は、所定のサイズ閾値より上の流動物質内の気泡のサイズを決定するために、気泡測定信号及び振動応答を受け取って処理することができる。計器電子回路２０は、流動物質内の実質的に最大の気泡のサイズを決定するために、気泡測定信号及び振動応答を受け取って処理することができる。

計器電子回路２０は、少なくとも振動応答及び気泡のサイズを用いて、１つ又は複数の流れ特性を決定する（図３及びそれに伴う議論を参照されたい）ために、気泡測定信号及び振動応答を受け取って処理することができる。あるいは、計器電子回路２０は、気泡のサイズが所定のサイズ閾値を超える場合に警報を生成する（図７及びそれに伴う議論を参照されたい）ために、気泡測定信号及び振動応答を受け取って処理することができる。したがって、警報は、流れ特性が所定の測定許容値を超えたことを示すことができる。

計器電子回路２０は、気泡サイズ出力を生成することができる。いくつかの実施形態では、気泡サイズ出力は、１つ又は複数の気泡のサイズを含む。いくつかの実施形態では、気泡サイズ出力は、流動物質内の実質的に最大の気泡のサイズを含む。気泡サイズ出力は、記憶され及び／又はオペレータに伝達され、あるいは遠隔位置又はデバイスに伝達できる。

計器電子回路２０は、気泡のサイズが所定のサイズ閾値を超える場合に、流れ状態の変化の表示を生成することができる。流れ状態の変化の表示は、オペレータ又は技術者に、流量、流圧又はその他の流れ状態を変えることなどによる、流量計９９内の流れ状態の変更を促すことができる。

計器電子回路２０は、気泡のサイズに基づいた１つ又は複数の流れ特性を決定できる。例えば、気泡のサイズは空隙率の値と関連付けられることができ、質量流量又は体積流量がそれに応じて調整できる。いくつかの実施形態では、計器電子回路２０は、気泡のサイズが所定のサイズ閾値を超える場合にのみ、１つ又は複数の流れ特性を決定する。

流体モデルは、参照によって本明細書に組み込まれる、Ｒ．クリフト、Ｊ．Ｒ．グレーズ及びＭ．Ｅ．ウェーバー、「気泡、小滴、及び粒子（Ｂｕｂｂｌｅｓ，Ｄｒｏｐｓ ａｎｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅｓ）」、Ｎ．Ｙ．、Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ出版、１９７８、３０６〜３１４ページに記載されるような、振動流れでの球状粒子の運動方程式を含む。これらの方程式は、非定常ストークス方程式を解き、次いでいくつかのコリオリ計の用途で見られることがあるように、より高いレイノルズ数を計算するための様々な項に対して経験的な補正を使用することにより見いだされる。

図３は、振動型流量計での流動物質内の混入気体に関して補正する方法の流れ図３００を示す。ステップ３０１では、気泡のサイズは、流動物質内の１つ又は複数の気泡サイズ測定によって決定される。気泡サイズ・センサは、気泡のサイズを決定するために使用できる。気泡のサイズは、上記に論じたように、振動型の気泡サイズ測定、又は音響式の気泡サイズ測定を使用して決定することができる。気泡サイズ測定は、流れ図３００を論じた後に、下記に詳細に論じられる。

いくつかの実施形態での気泡のサイズは、瞬時の気泡のサイズを含む。いくつかの実施形態での気泡のサイズは、実質的に平均的な気泡のサイズを含む。いくつかの実施形態での気泡のサイズは、所定のサイズ閾値より上の気泡サイズの測定を含む。いくつかの実施形態での気泡のサイズは、実質的に最大の気泡のサイズを含む。流動物質内の最大の気泡は、測定された流れ特性に最大の影響及び衝撃を与えるので、実質的に最大の気泡のサイズが使用できる。

ステップ３０２では、振動応答が、流管組立体を振動させることによって生成される。振動応答は、流管組立体内の流動物質の流れに従って変わる。

ステップ３０３では、１つ又は複数の流れ特性が少なくとも振動応答及び気泡のサイズを使用して決定される。１つ又は複数の流れ特性は、例えば流動物質の密度を含むことができる。１つ又は複数の流れ特性は、例えば流動物質の質量流量を含むことができる。しかし、その他の流れ特性が想定され、明細書及び特許請求の範囲の範囲内にある。

上記決定は、１つ又は複数の流れ特性の高いレベルの精度を提供することができる。例えば、密度測定は、２相流れ状態としても知られる、液体流動物質内の混入気体によって影響を受けることが知られ、したがって密度が気泡のサイズを使用して一層精密かつ信頼性を伴って決定できる。気泡のサイズ（及びオプションで気泡の計数）は、流動物質内の実質的に瞬時の気体体積を決定するために使用できる。気体の体積は、実質的に瞬時の体積流量から減算できる。

いくつかの実施形態では、決定するステップは、現在の気泡のサイズに基づいたものであることができる。例えば、検出された気泡が所定のサイズ閾値を超えない場合、決定は振動応答のみを使用して任意で行うことができる。反対に、気泡のサイズが所定のサイズ閾値を超えた場合、決定するステップは、少なくとも振動応答及び気泡のサイズを使用することができる。閾値は、気泡のサイズ及び混入気体の効果が重要になった場合にのみ、決定するステップが行われるように設定できる。

コリオリ流量計は、振動中に流動物質が流管とともに完全に移動することを必要とする。２つの相の間に少なくとも或る程度の相対運動又は分離があるので、気泡が導入された場合、この前提は、これ以上有効でない。移動する流体の挙動を予測するための流体モデルは、コリオリ流量計の分離効果を予測できる。さらに、気泡のサイズが明らかである場合に、流動物質内の混入気体を補償するために流体モデルが使用され得る。

パイプ又は導管内の気泡のサイズは、ラインの構成、流量及びその他の流体特性の複素関数である。計器内の気泡の正確な分布は、実時間ベースで測定でき、流体モデルは分離（ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ）誤差を補償するために使用でき、混入気体の測定の改善を可能にすることができる。

いくつかの企業が多相流の音響学に基づく気泡サイズ測定を提供しており、その中にはメリーランド州ジェサップのダイナフロ−社からのＡＢＳ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｂｕｂｂｌｅ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒと、オーストラリア国クレイトンのＣＳＩＲＯ マニュファクチャリング・アンド・マテリアルズ・テクノロジー社からのＳｔｒｅａｍＴｏｎｅの製品を含まれる。測定原理は非常に簡単である。各気泡は、流れの中の圧力の擾乱、又は外部発生源からの圧力の擾乱を受けた場合に、固有振動数において径方向に振動する。第１のモードの振動周波数（ω）は、主に以下のような気泡のサイズの関数である。

ただし、（ａ）項は気泡の半径であり、（ρ）項は流動物質の液体密度であり、（γ）項は流動物質の比熱比であり、（ｐ）項は液体の圧力である。測定は、乱流によって、又は特定の周波数での能動的な励振によって気泡を励振し、戻った周波数を受け取って分析することを含む。

振動型の気泡のサイズ測定は、より小さい気泡に関して高い精度又は信頼性がない可能性がある。しかし、より小さな気泡が流量計の精度に与える影響は無視できる程度なので、特定の大きさより上の気泡のみを測定することが望ましい。

図４は、流動物質内の統計的な気泡のサイズの分布のグラフである。パイプライン内の気泡の分布は、より小さな直径に大幅に偏った対数正規分布によって十分に表現されることが一般的に知られている。以下に示すように、これが有益なのは、気体の体積のほとんどを含む大きな気泡がほんのわずかしかないことを意味するからである。正規分布の場合と同様に、平均偏差及び標準偏差は、分布の形状を定めるために、公知でなければならない。以下の展開に関して、これらのパラメータは、中程度の流量での典型的な水及び気体の流れを示す。

コリオリ流量計での分離誤差に関して、２つの制御側面がある。計器は、計器内の気体の体積によって影響を受ける。この体積は、２つの相の間に相対運動が起こる場合、分離される流体の量を決定するからである。言い換えれば、計器は、そこにどれほど多くの気泡があるかに注目するのではなく、それらの気泡が置換する流体の体積によって影響を受ける。第２に、所与の気泡が非常に小さくて流体から分離しない場合、何の誤差も生じず、考慮する必要がない。より大きな気泡のみが分離の観点から重大なものになる。計器における誤差は、０．５ｍｍの数百個の気泡による影響よりも５ｍｍ直径の１個の気泡の影響による方が大きくなる可能性がある。

体積の観点からは、分布において、より大きな気泡が少ししかなくても、それらは全体の体積のほとんど全てを占めるので、重大である。球体の体積はその半径の３乗であるので、これは直感的に理解できる。

しかし、流体モデルによって予測された実際の分離が考慮される場合に、より大きな気泡のサイズへのさらなるシフトがある。モデルによっては、非常に小さい気泡のサイズに関して、分離が全くないことが予測される。したがって、より小さな大きさにすでに偏った、典型的な対数分布に関しては、分布における気泡の多くは、流体と調和して完全に固定され、質量流量又は密度の測定において誤差を全く生じない。

気泡のサイズは、気泡の振動周波数に対応することが分かっている。したがって、気泡のサイズは、振動応答を検出することによって決定できる。流れの中の最大の大きさの、最も重要な気泡のみを見つけることが望ましい場合に、およそ８００〜２０００Ｈｚの範囲の比較的低い周波数信号が試されるべきである。これは、ポンプ及び他の構成要素による振動のほとんどよりも十分高いものである。その結果、流れの中の大きな気泡を表す、およそ８００〜２０００Ｈｚの間の受けた信号の極端な上昇に関して、受けた振動応答を試すことができる。

液体の特性が明らかであり、計器内の気泡のサイズが明らかであることを前提として、計器内に起こる相対運動（すなわち分離）の量を計算することができる。したがって、各気泡が液体よりもどの程度遠くに移動するかを決定することができ、それによって、気泡の運動に応答して、どの程度の距離を流体が別の方向に戻って置換されたかが正確に示される。これによって、直接的に、簡単な等式によって密度誤差及び空隙率が決定される。方法は重心による手法を含む。その他の方法が想定され、それらが明細書及び特許請求の範囲の範囲内にあることを理解されたい。

図５は、流体の流動物質に対して移動する半径Ｒの気泡を示す。気泡は流体媒体内で球体をなす。流体媒体は流管と同調して振動している。粒子は半径Ｒを有し、０から最大までの管の各振動とともに、全体で距離（Ａ_ｐ）を移動する。興味のある点は、気泡が流体を通ってどの程度遠くに移動するかであり、実験室座標系に対しての絶対運動ではない。この相対運動は（Ａ_ｐ−Ａ_ｆ）として定めることができ、（Ａ_ｆ）は連続的な流体媒体の振幅である。流体の振幅（Ａ_ｆ）は、基本的に、既知の量である流管振動の振幅である。

図は、管の運動の中心線（図の左の位置）から一方の側に振動の最大振動振幅まで移動する気泡を示す。粒子が０から最大振動振幅に流体を通って移動することによって影響を受ける総体積は、

である。

しかし、移動する液体の実際の体積は気泡の体積を含まない。流管の振動期間に移動する液体の体積のみが問題となり、これは、
置換された体積＝（Ａ_ｐ−Ａ_ｆ）（πＲ^２） （３）
として与えられる。

この体積及び上記の図を使用すると、気泡の経路内の流体の平均的な置換を見いだすために重心の分析が使用できることが分かる。気泡が０から最大値

まで移動する前の、置換された流体の重心の方程式は、

である。

気泡が０から最大値

まで移動した後の、置換された流体の重心の方程式は、

である。

したがって、（πＲ^２（Ａ_ｐ−Ａ_ｆ））の体積は、０から最大変位までの管の振動ごとに、平均距離（−４Ｒ／３）を移動する。

図６は、流体の流動物質内の滑りの前後の置換された流体の体積及び気泡を示す。（Ｘ）項は、置換された流体の体積の重心である。図は、滑りによる重心（Ｘ）におけるシフトを示す。重心（Ｘ）におけるシフトは、流管の振動と反対向きに起きる。

しかし、後方に移動する流体の量を知ることは、密度測定への影響を決定するのに有用ではない。その代わりに、必要になるのは、重心における同じ変化を生じるために管が前方に移動するのと同じ距離だけ後方に移動するのと等しい体積である。そこで、この体積は管の振動に関与せず、体積内に含まれる質量は、密度測定にないことを前提にすることができる。これは、振動中に気泡の体積が変化しないことを前提にした体積計算の維持を含む。下記の計算、すなわち

又は

により、関与しない体積が見出される。

関与しない体積は、粒子の体積に、管の置換に対する相対的な粒子の置換の比率をかけたものを含む。管内の全ての粒子にわたって加算すると、その結果は、空隙率（Γ）によって

又は

で示すことができる。

その結果は、右に移動する気体の球体（Ａ_ｐ−Ａ_ｆ）、及び同じ距離を左に移動する液体の球体を反映する。同じ方法及び方程式が、関与しない体積を得るためにさらに使用できる。

実際の密度（ρ_{ａｃｔｕａｌ}）及び分離による密度（ρ_{ｄｅｃｏｕｐｌｅｄ}）に関する方程式が、以下の

のように確立できる。

密度誤差は、分離密度と実際の密度との間の差を実際の密度で割った値として

のように計算できる。

この方程式は、粒子の相対運動すなわちＡ_ｐ項が流体モデルから明らかになる限り、密度誤差を直接的に与える。気泡サイズの測定及び公知の流動物質の流体特性によって、流体モデルに関して必要な情報がもたらされる。この情報によって、計器の密度出力が補正できる。さらに、実際の液体密度が流動物質の流体特性からすでに明らかであるので、情報は空隙率Γを決定するためにさらに使用することができる。

気泡サイズ測定の使用によって、気体の存在を非常に堅牢な方法で検出するのに使用することができる、完全に独立の測定がもたらされる。技術は、気体の検出を可能にするだけでなく、混入気体が流量測定にどの程度影響を与えるか推定することができる。

図７は、振動型流量計での流動物質内の混入気体に関して補正する方法の流れ図７００を示す。ステップ７０１では、上記に論じたように気泡のサイズが決定される。

ステップ７０２では、振動応答が、流管組立体を振動させることによって生成される。流動物質の１つ又は複数の流れ特性が、少なくとも振動応答を使用して決定される。決定は、気泡のサイズを使用することをさらに含むことができる。

ステップ７０３では、気泡のサイズが所定のサイズ閾値と比較される。いくつかの実施形態での所定のサイズ閾値は、許容可能な混入気体の閾値を含むことができる。気泡のサイズが所定のサイズ閾値以下である場合、気泡のサイズは許容可能であり、方法は、分岐し、ステップ７０４を回避して出る。気泡のサイズが所定のサイズ閾値よりも大きな場合、気泡のサイズが許容不可能であり、方法がステップ７０４に進む。

ステップ７０４では、警報が生成される。警報は、１つ又は複数の流れ特性が所定の測定許容値を超えたことを示す。例えば、気泡が極めて大きい場合には、流動物質の密度測定が不利な影響を与えられ、混入気体に起因して許容不可能な精度を持つことがある。その他の流れ特性も、混入気体によって劣化する可能性がある。

警報を生成するステップは、計器電子回路２０での警報状態を設定するステップを含むことができる。警報を生成するステップは、モニタ・システムなどの他の装置に警報状態又は表示を転送するステップを含むことができる。警報を生成するステップは、任意の様式の視覚的又は聴覚的な警報を生成するステップを含むことができる。

警報を生成するステップは、気泡サイズ出力を生成するなどの、気泡のサイズを伝達し、表示し、又はその他の方式で示すステップをさらに含むことができる。気泡のサイズは、最大の気泡のサイズを含むことができる。あるいは、気泡サイズ出力は、代表的な気泡のサイズ又は平均的な気泡のサイズを含むことができる。

いくつかの実施形態では、警報を生成するステップは、流れ状態を変更する必要を示す混合表示を生成するステップをさらに含むことができる。いくつかの実施形態では、警報を生成するステップは、流れ状態を変更するステップをさらに含むことができる。例えば、混入気体誤差を低下させるために、流動物質の圧力を上昇させることができる。圧力を増加させることにより、気泡のサイズを低下させることができる。あるいは、気泡を破砕して混合作用をもたらすように、流量を増加させることができる。代りに、気泡を破壊し、又は他の方式で気泡のサイズを低下させるように、混合作用を開始することができる。混合の表示は、気泡を破壊し、又は他の方式で気泡のサイズを低下させるように、流れ状態の変更を促進することができる。

図８は、本発明の実施形態による振動型流量計９９を示す。この実施形態での振動型流量計９９は、計器電子回路２０及び計器組立体１０を備える。計器組立体１０は、流管１０３Ａ及び１０３Ｂ、駆動装置１０４、及びピックオフ・センサ１０５及び１０５’を備える。計器組立体１０は、前述したようにリード線１００によって計器電子回路２０に結合される。さらに、気泡サイズ・センサ５０は、流量計組立体１０の一部分を備えることができ、リンク５１によって計器電子回路２０に結合できる。この実施形態の気泡サイズ・センサ５０は、流量計組立体１０の任意の場所に配置でき、又はその代わりに流量計組立体１０の流管内に延ばすことができる。いくつかの実施形態では、気泡サイズ・センサ５０は、流れ導管又はその一部分に取り付けられた振動ピックアップ又は振動センサを備えることができる。

図９は、本発明の実施形態による振動型流量計９９を示す。この実施形態での振動型流量計９９は、ピックオフ・センサ及び気泡サイズ・センサ５０として、ピックオフ・センサ１０５のうちの１つを使用する。したがって、流量計組立体１０は、リード線１００によって計器電子回路２０に結合される。リード線１００は、振動応答及び気泡サイズの測定値を伝達する。

本発明による振動型流量計及び方法は、所望であれば、いくつかの利点をもたらすために、任意の実施形態に従って使用できる。振動型流量計及び方法は、精密な流れ特性を決定するために使用できる。振動型流量計及び方法は、混入気体が流動物質にある場合に、１つ又は複数の測定された流れ特性を決定するために使用できる。振動型流量計及び方法は、気泡のサイズがサイズ閾値を超えた場合のみ流量計組立体から得られる流れ特性を決定するために使用できる。

振動型流量計及び方法は、気泡のサイズを決定するために使用できる。振動型流量計及び方法は、気泡の体積を決定するために使用できる。振動型流量計及び方法は、混入気体の体積を含む混入気体の量を決定するために使用できる。振動型流量計及び方法は、流動物質内の空隙率を決定するために使用できる。

振動型流量計及び方法は、臨界の大きさよりも大きな気泡を決定するために使用できる。振動型流量計及び方法は、臨界の気泡の体積を決定するために使用できる。振動型流量計及び方法は、気泡のサイズがサイズ閾値を超える場合に警報を生成するために使用できる。振動型流量計及び方法は、気泡のサイズ出力を生成するために使用できる。振動型流量計及び方法は、気泡のサイズがサイズ閾値を超える場合に、流れ状態の変化の表示を生成するために使用できる。

Claims (40)

1. 流動物質内の混入気体を補正するための振動型流量計（９９）であって、
   前記流動物質に対する振動応答を生成するように構成された流量計組立体（１０）と、
   前記流動物質に対する気泡測定信号を生成するように構成された気泡サイズ・センサ（５０）と、
   前記流量計組立体（１０）及び前記気泡サイズ・センサ（５０）に結合され、また、前記振動応答及び前記気泡測定信号を受け取り、少なくとも前記気泡測定信号を使用して前記流動物質内にある気泡のサイズを決定し、少なくとも前記振動応答及び前記気泡のサイズを使用して前記流動物質の１つ又は複数の流れ特性を決定するように構成された計器電子回路（２０）と
   を備える振動型流量計（９９）。
2. 前記気泡サイズ・センサ（５０）が、前記流動物質内の１つ又は複数の気泡の振動に対する気泡応答を測定する、請求項１に記載の振動型流量計（９９）。
3. 前記気泡サイズ・センサ（５０）が、前記流動物質を振動させ、前記振動に対する気泡応答を測定する、請求項１に記載の振動型流量計（９９）。
4. 前記気泡サイズ・センサ（５０）が、前記流動物質を音響的に振動させ、前記振動に対する気泡応答を測定する、請求項１に記載の振動型流量計（９９）。
5. 前記気泡サイズ・センサ（５０）が、前記流量計組立体（１０）から分離し且つ独立している、請求項１に記載の振動型流量計（９９）。
6. 前記気泡サイズ・センサ（５０）が、前記流量計組立体（１０）の一部分として形成されている、請求項１に記載の振動型流量計（９９）。
7. 前記気泡サイズ・センサ（５０）が、前記流量計組立体（１０）の少なくとも１つのピックオフ・センサ（１０５）を備える、請求項１に記載の振動型流量計（９９）。
8. 前記気泡のサイズを決定することが、前記流動物質内の実質的に最大の気泡のサイズを決定することを含む、請求項１に記載の振動型流量計（９９）。
9. 前記気泡のサイズを決定することが、所定のサイズ閾値より上の前記流動物質内の前記気泡のサイズを決定することをさらに含む、請求項１に記載の振動型流量計（９９）。
10. 前記計器電子回路２０が、前記気泡のサイズが所定のサイズ閾値を超える場合に警報を生成するようにさらに構成され、前記警報が、前記１つ又は複数の流れ特性が所定の測定許容値を超えたことを示す、請求項１に記載の振動型流量計（９９）。
11. 気泡サイズ出力を生成することをさらに含む、請求項１に記載の振動型流量計（９９）。
12. 前記気泡のサイズが前記所定のサイズ閾値を超える場合に、流れ状態の変化の表示を生成することをさらに含む、請求項１に記載の振動型流量計（９９）。
13. 前記１つ又は複数の流れ特性を決定することが、前記気泡のサイズが前記所定のサイズ閾値を超える場合にのみ、少なくとも前記振動応答及び前記気泡のサイズを使用して前記１つ又は複数の流れ特性を決定することをさらに含む、請求項１に記載の振動型流量計（９９）。
14. 流動物質内の混入気体を補正するための振動型流量計（１００）であって、
    前記流動物質に対する振動応答を生成するように構成された流量計組立体（１０）と、
    前記流動物質に対する気泡測定信号を生成するように構成された気泡サイズ・センサ（５０）と、
    前記流量計組立体（１０）及び前記気泡サイズ・センサ（５０）に結合された計器電子回路（２０）であって、前記振動応答及び前記気泡測定信号を受け取り、少なくとも前記気泡測定信号を使用して前記流動物質内にある気泡のサイズを決定し、少なくとも前記振動応答を使用して前記流動物質の１つ又は複数の流れ特性を決定し、前記気泡のサイズが所定のサイズ閾値を超える場合に警報を生成するように構成され、前記警報が、１つ又は複数の流れ特性が所定の測定許容値を超えたことを示す計器電子回路（２０）と、
    を備える振動型流量計（９９）。
15. 前記気泡サイズ・センサ（５０）が、前記流動物質内の１つ又は複数の気泡の振動に対する気泡応答を測定する、請求項１４に記載の振動型流量計（９９）。
16. 前記気泡サイズ・センサ（５０）が、前記流動物質を振動させ、前記振動に対する気泡応答を測定する、請求項１４に記載の振動型流量計（９９）。
17. 前記気泡サイズ・センサ（５０）が、前記流動物質を音響的に振動させ、前記振動に対する気泡応答を測定する、請求項１４に記載の振動型流量計（９９）。
18. 前記気泡サイズ・センサ（５０）が前記流量計組立体（１０）から分離し且つ独立している、請求項１４に記載の振動型流量計（９９）。
19. 前記気泡サイズ・センサ（５０）が、前記流量計組立体（１０）の一部分として形成されている、請求項１４に記載の振動型流量計（９９）。
20. 前記気泡サイズ・センサ（５０）が、前記流量計組立体（１０）の少なくとも１つのピックオフ・センサ（１０５）を備える、請求項１４に記載の振動型流量計（９９）。
21. 前記気泡のサイズを決定することが、前記流動物質内の実質的に最大の気泡のサイズを決定することを含む、請求項１４に記載の振動型流量計（９９）。
22. 前記気泡のサイズを決定することが、所定のサイズ閾値より上の前記流動物質内の前記気泡のサイズを決定することをさらに含む、請求項１４に記載の振動型流量計（９９）。
23. 前記警報を生成することが、気泡サイズ出力を生成することをさらに含む、請求項１４に記載の振動型流量計（９９）。
24. 前記警報を生成することが、前記気泡のサイズが前記所定のサイズ閾値を超える場合に、流れ状態の変化の表示を生成することをさらに含む、請求項１４に記載の振動型流量計（９９）。
25. 前記計器電子回路（２０）が、少なくとも前記振動応答及び前記気泡のサイズを使用して、前記１つ又は複数の流れ特性を決定するようにさらに構成されている、請求項１４に記載の振動型流量計（９９）。
26. 前記１つ又は複数の流れ特性を決定することが、前記気泡のサイズが前記所定のサイズ閾値を超える場合にのみ、少なくとも前記振動応答及び前記気泡のサイズを使用して前記１つ又は複数の流れ特性を決定することをさらに含む、請求項２５に記載の振動型流量計（９９）。
27. 振動型流量計での流動物質内の混入気体を補正する方法であって、
    少なくとも前記流動物質の振動測定を使用して前記流動物質内の気泡のサイズを決定するステップと、
    流管組立体を振動させることによって振動応答を生成するステップと、
    少なくとも前記振動応答及び前記気泡のサイズを使用して、１つ又は複数の流れ特性を決定するステップと
    を含む方法。
28. 前記気泡のサイズを決定するステップが、前記流動物質内の実質的に最大の気泡のサイズを決定するステップを含む、請求項２７に記載の方法。
29. 前記気泡のサイズを決定するステップが、所定のサイズ閾値より上の前記流動物質内の前記気泡のサイズを決定するステップをさらに含む、請求項２７に記載の方法。
30. 前記気泡のサイズが所定のサイズ閾値を超える場合に警報を生成するステップであって、前記警報が、前記１つ又は複数の流れ特性が所定の測定許容値を超えたことを示すステップをさらに含む、請求項２７に記載の方法。
31. 気泡サイズ出力を生成するステップをさらに含む、請求項２７に記載の方法。
32. 前記気泡のサイズが前記所定のサイズ閾値を超える場合に、流れ状態の変化の表示を生成するステップをさらに含む、請求項２７に記載の方法。
33. 前記流れ特性を決定するステップが、前記気泡のサイズが前記所定のサイズ閾値を超える場合にのみ、少なくとも前記振動応答及び前記気泡のサイズを使用して前記１つ又は複数の流れ特性を決定するステップをさらに含む、請求項２７に記載の方法。
34. 振動型流量計での流動物質内の混入気体を補正する方法であって、
    少なくとも前記流動物質の振動測定を使用して前記流動物質内の気泡のサイズを決定するステップと、
    流管組立体を振動させることによって振動応答を生成し、少なくとも前記振動応答を使用して、前記流動物質の１つ又は複数の流れ特性を決定するステップと、
    前記気泡のサイズが所定のサイズ閾値を超える場合に警報を生成するステップであって、前記警報が、前記１つ又は複数の流れ特性が所定の測定許容値を超えたことを示すステップと
    を含む方法。
35. 前記気泡のサイズを決定するステップが、前記流動物質内の実質的に最大の気泡のサイズを決定するステップを含む、請求項３４に記載の方法。
36. 前記気泡のサイズを決定するステップが、所定のサイズ閾値より上の前記流動物質内の前記気泡のサイズを決定するステップをさらに含む、請求項３４に記載の方法。
37. 前記警報を生成するステップが、気泡サイズ出力を生成するステップをさらに含む、請求項３４に記載の方法。
38. 前記警報を生成するステップが、前記気泡のサイズが前記所定のサイズ閾値を超える場合に、流れ状態の変化の表示を生成するステップをさらに含む、請求項３４に記載の方法。
39. 少なくとも前記振動応答及び前記気泡のサイズを使用して、前記１つ又は複数の流れ特性を決定するステップをさらに含む、請求項３４に記載の方法。
40. 前記１つ又は複数の流れ特性を決定するステップが、前記気泡のサイズが前記所定のサイズ閾値を超える場合にのみ、少なくとも前記振動応答及び前記気泡のサイズを使用して前記１つ又は複数の流れ特性を決定するステップをさらに含む、請求項３９に記載の方法。
    

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