JP5924556B2 - Multiphase flow meter - Google Patents
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Description
本発明は、多相の混相流体の流量を各相別に計測することができる多相流流量計に関するものである。 The present invention relates to a multi-phase flow meter that can measure the flow rate of a multi-phase mixed phase fluid for each phase.
多相流流量計は、管路中を水、油、気体などの多相の流体が混相して流れる場合に、これら多相流体の流量を各相別に測定できるように構成されたものであり、従来から各種の装置が提案されている。 A multiphase flow meter is configured to measure the flow rate of these multiphase fluids for each phase when multiphase fluids such as water, oil, and gas flow in the pipeline. Conventionally, various devices have been proposed.
特許文献１には、多相の混相流体が流れる管路の流れ方向に沿って２台の混相密度計を設け、周波数に応じた混相流体の比誘電率に基づき各相の比率を求めるとともに、流体が２点間を流れるのに必要な時間を相関法に基づき各相毎の流量を測定するように構成された多相流流量計が記載されている。 In Patent Document 1, two multi-phase density meters are provided along the flow direction of the pipeline through which the multi-phase multi-phase fluid flows, and the ratio of each phase is obtained based on the relative permittivity of the multi-phase fluid according to the frequency. A multiphase flow meter is described that is configured to measure the flow rate of each phase based on the correlation method with the time required for the fluid to flow between two points.
特許文献２には、多相の混相流体が流れる管路の流れ方向に沿って設けられた電磁流量計および成分比率センサと、これら電磁流量計と成分比率センサの測定信号から測定流体の各混合物の流量を演算する演算回路とを具備した多相流流量計が記載されている。 Patent Document 2 discloses an electromagnetic flow meter and a component ratio sensor provided along a flow direction of a pipeline through which a multiphase mixed phase fluid flows, and each mixture of measurement fluids from measurement signals of the electromagnetic flow meter and the component ratio sensor. A multi-phase flow meter having an arithmetic circuit for calculating the flow rate of the gas is described.
しかし、これら従来の多相流流量計は、いずれも複数台の測定器を組み合わせていることから装置全体の構成が複雑になり、比較的コストが高くなるという問題点がある。 However, these conventional multiphase flow meters all have a combination of a plurality of measuring instruments, so that the configuration of the entire apparatus becomes complicated and the cost is relatively high.
本発明は、これらの課題を解決するものであり、その目的は、比較的安価で簡便に液体と気体および個体粒子などの流量をそれぞれ測定できる多相流流量計を実現することにある。 The present invention solves these problems, and an object of the present invention is to realize a multiphase flow meter that can measure the flow rates of liquid, gas, solid particles, and the like at a relatively low cost and easily.
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
垂直配管の管路内を流れる流体の流れ方向に沿うように前記垂直配管の外壁に所定の間隔で設けられ、前記流体中に含まれる気泡を検出する複数の気泡検出手段と、
これら気泡検出手段の検出信号に基づいて前記流体のパラメータを演算する流量パラメータ演算手段を設け、
前記流量パラメータ演算手段は、前記気泡検出手段の検出信号に基づいて気泡の有無を判断するとともに、少なくとも気泡数密度、気泡径、気泡量のいずれかを求めることを特徴とする多相流流量計である。
In order to achieve such an object, the invention described in claim 1 of the present invention is
A plurality of bubble detecting means provided at predetermined intervals on the outer wall of the vertical pipe so as to follow the flow direction of the fluid flowing in the pipe line of the vertical pipe, and detecting bubbles contained in the fluid;
Flow rate parameter calculating means for calculating the fluid parameters based on the detection signals of these bubble detecting means is provided,
The flow rate parameter calculation means determines the presence or absence of bubbles based on the detection signal of the bubble detection means, and obtains at least one of bubble number density, bubble diameter, and bubble volume. It is.
請求項２記載の発明は、請求項１に記載の多相流流量計において、
前記流量パラメータ演算手段は、さらに、気泡径と気泡個数を演算することを特徴とす
る。
The invention according to claim 2 is the multiphase flow meter according to claim 1 ,
The flow rate parameter calculating means further calculates a bubble diameter and the number of bubbles.
請求項３記載の発明は、請求項１に記載の多相流流量計において、
前記流量パラメータ演算手段は、さらに、粒子径と粒子個数を演算することを特徴とす
る。
The invention according to claim 3 is the multiphase flow meter according to claim 1 ,
The flow rate parameter calculating means further calculates the particle diameter and the number of particles.
請求項４記載の発明は、請求項１に記載の多相流流量計において、
前記流量パラメータ演算手段が前記流体のパラメータを演算する前記気泡検出手段の測定信号は、超音波信号であることを特徴とする。
The invention according to claim 4 is the multiphase flow meter according to claim 1,
The measurement signal of the bubble detecting means for calculating the fluid parameter by the flow rate parameter calculating means is an ultrasonic signal.
これらにより、比較的安価で簡便な構成で、液体と気体の流量をそれぞれ測定できる多相流流量計を実現できる。 Accordingly, it is possible to realize a multi-phase flow meter that can measure the flow rates of liquid and gas with a relatively inexpensive and simple configuration.
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例を示す構成説明図である。図１において、垂直配管１の管内には、流体２が速度ｖで下方から上方に向かって流れている。なお、流体２中には、複数の気泡３が混入している。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is an explanatory diagram showing the construction of an embodiment of the present invention. In FIG. 1, the fluid 2 flows from the lower side to the upper side at a velocity v in the pipe of the vertical pipe 1. A plurality of bubbles 3 are mixed in the fluid 2.
垂直配管１の外壁には、高さｈの間隔を保つようにして、上流検出端４と下流検出端５が垂直方向に沿って配置されている。これら上流検出端４と下流検出端５は変換器６に接続されていて、反射相関法やドップラー法などの公知の方法を用いて、流体２内に含まれる気泡３からの反射信号に基づいて流速を求めるとともに、気泡３を含む流体２からの反射信号振幅を取得する。 An upstream detection end 4 and a downstream detection end 5 are arranged along the vertical direction on the outer wall of the vertical pipe 1 so as to maintain a distance of height h. The upstream detection end 4 and the downstream detection end 5 are connected to a converter 6, and based on a reflection signal from the bubble 3 contained in the fluid 2 using a known method such as a reflection correlation method or a Doppler method. While calculating | requiring a flow velocity, the reflected signal amplitude from the fluid 2 containing the bubble 3 is acquired.
下流検出端５は上流検出端４よりも高さｈだけ上方に配置されているので、上流検出端４を通過する気泡３ａと下流検出端５を通過する気泡３ｂのサイズを比較すると、気泡３ｂの方が気泡３ａよりもヘッド圧分だけ大きくなっている。 Since the downstream detection end 5 is disposed above the upstream detection end 4 by a height h, comparing the size of the bubble 3a passing through the upstream detection end 4 and the bubble 3b passing through the downstream detection end 5, the bubble 3b Is larger than the bubble 3a by the head pressure.
変換器６は、測定データを蓄積・演算するとともに、測定演算結果を表示・出力するものであり、外部からの電源供給、４−２０ｍＡの外部への出力、外部との通信などの目的でケーブルを介して外部と接続されている。 The converter 6 accumulates and calculates the measurement data and displays and outputs the measurement calculation result. The converter 6 is a cable for the purpose of supplying power from the outside, outputting to the outside of 4-20 mA, and communicating with the outside. It is connected to the outside via
反射相関法やドップラー法は、流体中の反射体である気泡３ａ、３ｂの速度を測定しているので、上流検出端４と下流検出端５では、（流体の流速）＋（気泡の浮力による流速）が測定される。 Since the reflection correlation method and the Doppler method measure the velocity of the bubbles 3a and 3b, which are reflectors in the fluid, the upstream detection end 4 and the downstream detection end 5 have (fluid flow velocity) + (bubble buoyancy) Flow rate) is measured.
図２は、気泡量を計算する処理の流れを説明するフローチャートである。まず、上流側の検出端４で流速を測定した後（ステップＳ１）、下流側の検出端５で流速を測定する（ステップＳ２）。一方、上流側の検出端４で超音波振幅を測定した後（ステップＳ３）、下流側の検出端５で超音波振幅を測定する（ステップＳ４）。 FIG. 2 is a flowchart for explaining the flow of processing for calculating the bubble amount. First, after the flow velocity is measured at the upstream detection end 4 (step S1), the flow velocity is measured at the downstream detection end 5 (step S2). On the other hand, after measuring the ultrasonic amplitude at the upstream detection end 4 (step S3), the ultrasonic amplitude is measured at the downstream detection end 5 (step S4).
その後、これら流速測定値および超音波振幅測定値に基づいて、気泡個数計算（ステップＳ４）、気泡径測定（ステップＳ６）および気泡量計算（ステップＳ７）を順次実行する。 Thereafter, the bubble number calculation (step S4), the bubble diameter measurement (step S6), and the bubble amount calculation (step S7) are sequentially executed based on the flow velocity measurement value and the ultrasonic amplitude measurement value.
図３は上流検出端４と下流検出端５における超音波振幅分布例図であり、（Ａ）は上流検出端４における超音波振幅分布例を示し、（Ｂ）は下流検出端５における超音波振幅分布例を示している。 3A and 3B are diagrams showing an example of ultrasonic amplitude distribution at the upstream detection end 4 and the downstream detection end 5. FIG. 3A shows an example of ultrasonic amplitude distribution at the upstream detection end 4, and FIG. An example of amplitude distribution is shown.
ここで、上流検出端４と下流検出端５で測定される流速を比較すると、気泡３ｂが気泡３ａよりも大きくなっているため、下流検出端５で観測される流速の方が気泡３ｂの浮力分だけ速くなる。 Here, when the flow rates measured at the upstream detection end 4 and the downstream detection end 5 are compared, the bubble 3b is larger than the bubble 3a, so the flow rate observed at the downstream detection end 5 is higher than the buoyancy of the bubble 3b. It gets faster by minutes.
一方、上流検出端４と下流検出端５で測定される超音波信号振幅を比較すると、気泡３ｂが気泡３ａよりも大きくなっているため、図３（Ｂ）に示すように、下流検出端５で観測される超音波振幅の方が超音波の伝搬距離ｘに対して減衰が大きくなる。 On the other hand, when the ultrasonic signal amplitude measured at the upstream detection end 4 and the downstream detection end 5 is compared, the bubble 3b is larger than the bubble 3a. Therefore, as shown in FIG. The attenuation of the ultrasonic amplitude observed in FIG. 2 is greater with respect to the ultrasonic propagation distance x.
超音波入射強度をI0、気泡断面積をA、気泡数密度（個/m3）をn、流体中の超音波の伝搬距離をｘ、液体の減衰定数をα0、超音波周波数をfとすると、上流検出端４から得られる超音波振幅ｒ0（ｘ）は、 Ultrasonic incident intensity is I 0 , bubble cross-sectional area is A, bubble number density (pieces / m 3 ) is n, ultrasonic wave propagation distance is x, liquid attenuation constant is α 0 , and ultrasonic frequency is f Then, the ultrasonic amplitude r 0 (x) obtained from the upstream detection end 4 is
下流検出端５から得られる超音波振幅分布r1（x）は、 The ultrasonic amplitude distribution r 1 (x) obtained from the downstream detection end 5 is
と表すことができる。 It can be expressed as.
図４は上流検出端４と下流検出端５から得られる超音波振幅分布の比を示した特性図であり、図３の上流検出端４と下流検出端５で測定される超音波信号振幅の距離ｘに対する比をプロットしたものである。 FIG. 4 is a characteristic diagram showing the ratio of the ultrasonic amplitude distribution obtained from the upstream detection end 4 and the downstream detection end 5, and the ultrasonic signal amplitude measured at the upstream detection end 4 and the downstream detection end 5 in FIG. The ratio against the distance x is plotted.
ここで、流体の動粘粘性係数をρ、重力加速度をg、上流検出端４で測定した流体の流速をv0、下流検出端５で測定した流体の流速をv1とすると、図４における理論式は、 Here, when the dynamic viscosity coefficient of the fluid is ρ, the gravitational acceleration is g, the flow velocity of the fluid measured at the upstream detection end 4 is v 0 , and the fluid flow velocity measured at the downstream detection end 5 is v 1 , FIG. The theoretical formula is
となる。
（３）式において、（ｖ1−ｖ0）は上流検出端４と下流検出端５で測定した流速の差であり、測定によって決まる値である。そのため、（３）式における未知数は、気泡数密度ｎのみである。
It becomes.
In the equation (3), (v 1 −v 0 ) is a difference in flow velocity measured at the upstream detection end 4 and the downstream detection end 5 and is a value determined by measurement. Therefore, the unknown number in the equation (3) is only the bubble number density n.
そこで、測定によって得た図３のプロットと（３）式を未知数ｎでフィッティングすることにより、図５の超音波振幅分布比のフィッティング例に示すように、気泡数密度ｎを決定できる。 Therefore, by fitting the plot of FIG. 3 and the expression (3) obtained by measurement with the unknown number n, the bubble number density n can be determined as shown in the fitting example of the ultrasonic amplitude distribution ratio of FIG.
気泡数密度ｎが決定すると、（１）式の未知数は気泡断面積A0だけになり、（２）式における未知数は気泡断面積A1だけになる。よって、それぞれの超音波振幅分布を未知数気泡断面積Aでフィッティングすることにより、気泡断面積Aを決定する。 When the bubble number density n is determined, the unknown in equation (1) is only the bubble cross-sectional area A 0 , and the unknown in equation (2) is only the bubble cross-sectional area A 1 . Therefore, the bubble cross-sectional area A is determined by fitting each ultrasonic amplitude distribution with the unknown bubble cross-sectional area A.
気泡数密度ｎと気泡断面積Aを決定することにより、上流検出端４と下流検出端５におけるボイド率を以下の式から求めることができる。 By determining the bubble number density n and the bubble cross-sectional area A, the void ratio at the upstream detection end 4 and the downstream detection end 5 can be obtained from the following equation.
図６は超音波振幅分布のフィッティング例図であり、（Ａ）は（１）式で表すことができる上流検出端４における超音波振幅分布のフィッティング例を示し、（Ｂ）は（２）式で表すことができる下流検出端５における超音波振幅分布のフィッティング例を示している。 FIG. 6 is an example of fitting of an ultrasonic amplitude distribution, (A) shows an example of fitting of an ultrasonic amplitude distribution at the upstream detection end 4 that can be expressed by equation (1), and (B) is an equation (2). The example of fitting of the ultrasonic amplitude distribution in the downstream detection end 5 which can be represented by is shown.
これらから明らかなように、変換器６は、以上の方法で求めた気泡数密度、気泡径、気泡量を出力することができる。 As is clear from these, the converter 6 can output the bubble number density, the bubble diameter, and the bubble amount obtained by the above method.
このような構成によれば、超音波流量計としての流量計測だけではなく、気泡量、気泡径、気泡数などの測定も同時に行える。 According to such a configuration, not only the flow rate measurement as an ultrasonic flow meter but also the measurement of the bubble amount, the bubble diameter, the number of bubbles and the like can be performed simultaneously.
既存の超音波流量計と類似した単純な構成により、新たに気泡の流量を求めることができ、経済的でもある。 With a simple configuration similar to an existing ultrasonic flow meter, the flow rate of bubbles can be obtained anew, which is economical.
反射相関法やドップラー法を用いて流速を算出できるので、超音波減衰の大きい流体についても測定が行える。 Since the flow velocity can be calculated using the reflection correlation method or the Doppler method, it is possible to measure a fluid with a large ultrasonic attenuation.
垂直配管のみで測定が行えることから、従来のような測定を行うためのみの水平配管部を設けなくてもよく、管路を設置する位置の制限条件が大幅に緩和されるので、管路全体を効率よくコンパクトに敷設できる。 Since the measurement can be performed using only vertical piping, there is no need to provide a horizontal piping section only for conventional measurement, and the restriction conditions for the position where the pipe is installed are greatly relaxed. Can be installed efficiently and compactly.
上記の本発明に基づく一連の測定信号の処理は、反射信号の相対値によるフィッティングであり、従来から行われている超音波流量計測に必要なパラメータのみで気泡量を求めることができるため追加のパラメータが必要になることはなく、気泡量の算出に必要なパラメータを最小限に抑えることができる。 The processing of a series of measurement signals based on the present invention described above is fitting based on the relative value of the reflected signal, and since the amount of bubbles can be obtained only with parameters necessary for conventional ultrasonic flow measurement, additional processing is required. No parameter is required, and the parameter required for calculating the bubble amount can be minimized.
図７は本発明の他の実施例を示す構成説明図であり、図１と共通する部分には同一の符号を付けている。図７において、垂直配管１の上流検出端４と下流検出端５の間には、オリフィス８が設けられている。 FIG. 7 is an explanatory diagram showing the construction of another embodiment of the present invention. Components common to those in FIG. In FIG. 7, an orifice 8 is provided between the upstream detection end 4 and the downstream detection end 5 of the vertical pipe 1.
オリフィス８の下流には、通常圧損が生じる。そこで、この圧損を利用し、図１の構成と同様に、上流検出端４と下流検出端５の検出信号に基づき、気泡量などを測定する。 A pressure loss usually occurs downstream of the orifice 8. Therefore, using this pressure loss, the amount of bubbles and the like are measured based on the detection signals of the upstream detection end 4 and the downstream detection end 5 as in the configuration of FIG.
具体的な測定方法は図１の場合と同様であるが、高さｈは図１に比べて低くても、垂直配管１の流体に圧損が生じていれば、高精度に気泡量などを測定できる。 The specific measurement method is the same as in the case of FIG. 1, but even if the height h is lower than that in FIG. 1, if the pressure loss is generated in the fluid in the vertical pipe 1, the amount of bubbles is measured with high accuracy. it can.
垂直配管１の流体に圧損が生じていれば本発明を適用できるので、たとえばコリオリ流量計における上下流の差圧を利用してもよい。 Since the present invention can be applied if pressure loss occurs in the fluid in the vertical pipe 1, for example, the upstream / downstream differential pressure in the Coriolis flow meter may be used.
図１および図７の実施例では流体２中に気泡３のみが含まれている場合について説明したが、たとえば液体中に粒子のみが存在している場合であっても、それぞれを切り分けて出力できる。 In the embodiment of FIGS. 1 and 7, the case where only the bubbles 3 are included in the fluid 2 has been described. However, for example, even when only particles are present in the liquid, each can be output separately. .
図８は、気泡か粒子かを判断する処理の流れを説明するフローチャートである。まず、上流側の検出端４で流速を測定した後（ステップＳ１）、下流側の検出端５で流速を測定し（ステップＳ２）、これら上流側の検出端４で測定した流速と下流側の検出端５で測定した流速との差分を計算する（ステップＳ３）。 FIG. 8 is a flowchart for explaining the flow of processing for determining whether a bubble or a particle. First, after the flow velocity is measured at the upstream detection end 4 (step S1), the flow velocity is measured at the downstream detection end 5 (step S2), and the flow velocity measured at the upstream detection end 4 and the downstream flow rate are measured. The difference from the flow velocity measured at the detection end 5 is calculated (step S3).
その後、これら上下流の流速差分を所定の閾値と比較する（ステップＳ４）。上下流の流速差分が閾値以下の場合には「粒子あり」の信号を出力し（ステップＳ５）、上下流の流速差分が閾値を超える場合には気泡量の計算を行う（ステップＳ６）。 Thereafter, these upstream and downstream flow velocity differences are compared with a predetermined threshold value (step S4). If the upstream / downstream flow rate difference is less than or equal to the threshold value, a “particle present” signal is output (step S5), and if the upstream / downstream flow rate difference exceeds the threshold value, the bubble amount is calculated (step S6).
図８は基本的には図２と同じであるが、垂直配管において上流側と下流側の流速を測定してそれらの流速差を取った後、流体中に含まれる超音波の反射体に対する「判断」が入る。 FIG. 8 is basically the same as FIG. 2, but after measuring the flow velocity on the upstream side and the downstream side in a vertical pipe and taking a difference between the flow rates, “ Judgment "is entered.
流体中の粒子は、差圧による膨張・収縮がないため、垂直管の上流側と下流側の流速差が理想的には０ｍ／ｓになる。そこで、上流側と下流側の流速差がある閾値以下の場合は反射体は粒子であると判断し、閾値を超えている場合は浮力によって流速差が生じていると判断して前述の気泡量測定へ移行する。 Since the particles in the fluid do not expand or contract due to the differential pressure, the flow velocity difference between the upstream side and the downstream side of the vertical pipe is ideally 0 m / s. Therefore, if the difference in flow velocity between the upstream side and the downstream side is less than a threshold value, it is determined that the reflector is a particle, and if it exceeds the threshold value, it is determined that the flow rate difference is caused by buoyancy and the amount of bubbles described above Move to measurement.
なお、流体中に粒子が存在していると判断した場合、粒子径のサイズはわからないので粒子量は計算できないが、流体中に粒子が存在している旨をたとえば表示器に表示することができる。 If it is determined that particles are present in the fluid, the particle amount cannot be calculated because the size of the particle diameter is unknown, but the fact that particles are present in the fluid can be displayed on, for example, a display. .
本発明は、超音波を用いて液体の流量を測定する機能を持つ多相流流量計において、気泡の反射信号から流速を求める機能を有するとともに、垂直配管中の差圧（ヘッド差、オリフィス・コリオリの上下流の差圧、細管の差圧など）を利用し、反射信号の強度と位置情報から流体中に存在する気泡数を求める機能を有するものである。 The present invention is a multiphase flow meter having a function of measuring the flow rate of a liquid using ultrasonic waves, has a function of obtaining a flow velocity from a reflected signal of bubbles, and a differential pressure (head difference, orifice This has a function of obtaining the number of bubbles present in the fluid from the intensity and position information of the reflected signal using the upstream / downstream differential pressure of Coriolis, the differential pressure of the narrow tube, and the like.
そして、気泡の浮力の影響を検出し、反射信号の強度と位置情報から気泡径と気泡量を求めることができる機能を有する。 And it has the function which detects the influence of the buoyancy of a bubble and can obtain | require a bubble diameter and bubble amount from the intensity | strength and position information of a reflected signal.
また、反射信号振幅の位置情報を用いてフィッティングにより気泡数と気泡径を求める機能も有する。 It also has a function of obtaining the number of bubbles and the bubble diameter by fitting using position information of the reflected signal amplitude.
さらに、垂直配管中の差圧による超音波反射体の流速差から、流体中に含まれるものが気泡なのか粒子なのかを判断する機能も有するものである。 Furthermore, it also has a function of judging whether a substance contained in the fluid is a bubble or a particle from the difference in flow velocity of the ultrasonic reflector due to the differential pressure in the vertical pipe.
なお、本発明に基づく多相流流量計は、これら複数の機能のうち、少なくともいずれか一つの機能を持っていればよい。 In addition, the multiphase flowmeter based on this invention should just have at least any one function among these several functions.
以上説明したように、本発明によれば、比較的安価で簡便な構成で、液体と気体および個体粒子などの流量をそれぞれ測定できる多相流流量計を実現できる。 As described above, according to the present invention, it is possible to realize a multiphase flow meter that can measure the flow rates of liquid, gas, solid particles, and the like with a relatively inexpensive and simple configuration.
１ 垂直配管
２ 流体
３ 気泡
４ 上流検出端
５ 下流検出端
６ 変換器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Vertical piping 2 Fluid 3 Bubble 4 Upstream detection end 5 Downstream detection end 6 Converter
Claims (4)
これら気泡検出手段の検出信号に基づいて前記流体のパラメータを演算する流量パラメータ演算手段を設け、
前記流量パラメータ演算手段は、前記気泡検出手段の検出信号に基づいて気泡の有無を判断するとともに、少なくとも気泡数密度、気泡径、気泡量のいずれかを求めることを特徴とする多相流流量計。 A plurality of bubble detecting means provided at predetermined intervals on the outer wall of the vertical pipe so as to follow the flow direction of the fluid flowing in the pipe line of the vertical pipe, and detecting bubbles contained in the fluid;
Flow rate parameter calculating means for calculating the fluid parameters based on the detection signals of these bubble detecting means is provided,
The flow rate parameter calculation means determines the presence or absence of bubbles based on the detection signal of the bubble detection means, and obtains at least one of bubble number density, bubble diameter, and bubble volume. .
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