JPH10281846A - コリオリ流量計を利用したパターン認識法による多相流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 コリオリ流量計を用いて、ボイド率に従って
変動する質量流量，密度信号を利用し、統計的手法に基
づいて気体，液体流量を求める。 【解決手段】 気液混相流をコリオリ流量計１に流し
て、ボイド率に従って変動する質量流量Ｑｍ，密度ρの
変動波形を統計的特徴計測部６に入力して統計的特徴と
して統計的ベクトル図の論理和として統計的特徴グリッ
トセルを得る。これに対し、予め知られた質量流量Ｑｍ
と密度ρのサンプルパターンを対比して、統計的特徴グ
リットセルの気体流量（横軸）と液体流量（縦軸）の位
置をパターン認識部７で同定して当該気体流量と液体流
量とを質量流量Ｑｍ，密度ρの２つのパラメータに従っ
て求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、コリオリ流量計を
利用したパターン認識法による多相流量計に関し、より
詳細には、コリオリ流量計に気液混相流を流して得られ
るコリオリの力に比例した流量位相差信号等の各種パラ
メータの統計的特徴を求めて、予め求められた前記パラ
メータのサンプルパターンと比較し、該サンプルパター
ンの統計的グリッドセル上の位置を同定して気相流束と
液体流束とを求める多相流量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】流量計測において、測定流体は、目的に
応じ温度，圧力，密度，粘度の異なる多様な流体が計測
対象となる。測定流体が単相流体である場合は、環境条
件や物性値を補正して基準状態における体積流量を求め
ることは比較的簡単に行なわれているが、測定流体が、
例えば、気液混相流である場合は、各々の相毎の流量を
求めるために気相と液相に分離した後に各相毎の流量を
従来方式の流量計測手段により求めることが行われてい
る。しかし、この方式では、相分離機構が大型となり高
価で設置スペースが広くなり、しかも、高粘度の液相を
含む気液混相流からの気相分離を完全に行うことは不可
能に近く高精度の相流量を求めることは不可能であっ
た。

【０００３】このため、Archer等は、「水平二相流にお
ける流量計測に関するソフトウエアー技術」（ＳＰＥ P
roduction Engneering,August 1991）において、水平な
気液混相流路に予め流量計測された気体と液体と流入
し、気液混相流路に複数の絶対圧力計と差圧計および一
台の静電容量式ボイド率計とコンダクタレス・マイクロ
ウエーブを取り付け、該気液混相流路を流れる気液混相
流の圧力波形およびボイド率波形から、音声認識的手法
を用いて確率的特徴を抽出分類し、気液混相流の基準流
量様式を識別して気体流量と液体流量とを求める方法を
用い、前記流量計測された基準となる気体流量，液体流
量に対し５〜１０％の誤差で計測できることが報告され
ている。

【０００４】しかし、Archer等の流量計測方法は、水平
な気液混相流路を設けて均一な混相流とすることが条件
であり、このため、長大な水平流路を必要とするので、
本出願人らは、先に気液混相流を旋回装置に導入し均質
な気液混相流としてベンチュリに流出し、該ベンチュリ
の喉部と拡大テーパ部との差圧信号を求めて差圧信号の
統計的特徴を計測し、予め校正してあるサンプルパター
ンと比較してパターン認識による気体および液体の流量
を計測する装置を提案した。

【０００５】また、気液混相流の気体と液体の流量計測
方法として、気液混相流路にベンチュリと容積流量計と
を直列接続し、容積流量計で求めた気体流量と液体流量
との和の流量に対し、ベンチュリの差圧が気体流量と液
体流量の流量比に比例することを利用して各々気体流
量，液体流量を求める方法がアガー社から提示されてい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】旋回装置により均質化
された気液混相流をベンチュリに導入して、ベンチュリ
の差圧信号の統計的特徴を計測する方法は、装置を小型
化することができる利点があるが、統計的特徴をあらわ
すパラメータは差圧信号だけであり、測定精度に限度が
生じ、より高精度にするためには、入力信号のパラメー
タを多くする必要がある。

【０００７】また、容積流量計とベンチュリを接続する
方法では、容積流量計は、可動部を有しているので、異
物の混入や過酷な条件で使用すると停止する場合がある
等の信頼性に不安がある。

【０００８】本発明は、上述した実情に鑑みてなされた
もので、可動部を持たない流量計測手段としてコリオリ
流量計を用いている。コリオリ流量計は、気液混相流の
限界仕様として均質化された例えば、アイスクリーム原
液のような場合、２０％のボイド率まで計測可能である
が、通常の場合、１０％のボイド率ではドライブゲイン
が不安定となり流量，密度の計測は不能となる。本発明
では、コリオリ流量計の上記の問題点を利用し、流量と
密度の信号波形の統計的特徴の計測により、予め校正さ
れた多様なボイド率を持った気液混相流の統計的特徴の
サンプルパターンと比較し、パターン認識により気体流
量と液体流量を決定しようとするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、２点
支持された測定管を固有振動数で駆動するコリオリ流量
計と、該コリオリ流量計に気液混相流を流し、前記測定
管に作用するコリオリの力に応じた流量位相差信号と前
記気液混相流の密度に応じた振動数の振動波形を検出
し、前記気液混相流の温度補正された流量信号および密
度信号を出力する変換器と、該流量信号と該密度信号の
統計的特徴を特徴ベクトルの強度として求めて、あらか
じめ定められた気液混相流における気相流束と液相流束
のサンプルパターンと対比し、該サンプルパターンの統
計的グリッドセル上の位置を同定して前記気液混相流の
気体流束と液体流束を求める混相流演算器とを有するも
のである。

【００１０】請求項２の発明は、請求項１に記載のコリ
オリ流量計を利用したパターン認識法よる多相流量計に
おいて、前記測定管の両端に差圧を検出する差圧計を設
け、前記混相流演算器で求めた前記流量信号と前記密度
信号の特徴ベクトルの強度に加え、前記差圧計で検出し
た差圧信号の特徴ベクトルの強度を求め、前記サンプル
パターンに前記差圧信号を含めるものである。

【００１１】請求項３の発明は、請求項２に記載のコリ
オリ流量計を利用したパターン認識法よる多相流量計に
おいて、前記混相流演算器において求めた前記流量信号
と前記密度信および前記差圧信号に加え、コリオリ流量
計の前記測定管を駆動する駆動電力の特徴ベクトルの強
度を求め、前記サンプルパターンに前記駆動電力を含め
るものである。

【００１２】請求項４の発明は、請求項１乃至３の何れ
かに記載のコリオリ流量計を利用したパターン認識法に
よる多相流量計において、前記気液混相流において、液
相が水と油である三相流体であるとき、前記コリオリ流
量計の後流に油水分計を設け、液相の水と油の各々の流
量を求めるようにしたものである。

【００１３】請求項５の発明は、請求項１乃至４の何れ
かに記載のコリオリ流量計を利用したパターン認識法に
よる多相流量計において、前記コリオリ流量計の上流
に、前記気液混相流の気相と液相とを均一に混合する混
合手段を設けたものである。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施形態を説明
するためのブロック図であり、図中、１はコリオリ流量
計、２は流入管、３は流出管、４はコリオリ流量計１の
変換器、５は混相流演算器、６は統計的特徴計測部、７
はパターン認識部、８は学習部、９はサンプルパター
ン、１０は出力である。

【００１５】図１に示すコリオリ流量計１は、気液混相
流が流れる流入管２と流出管３とに両端接続される、Ｕ
字形状の測定管１ａを有し、測定管１ａは両端部１ｂ，
１ｃを支点として紙面と直角方向に駆動手段（図示せ
ず）により固有振動数ｆで駆動される。測定管１ａの固
有振動数ｆは、内部を流れる気液混相流の流体密度ρに
従って変化する。固有振動数ｆで駆動された測定管１ａ
には、コリオリの力に比例した捩じれθが生じ、この捩
じれを時間差信号τとして検知し、該時間差信号τは、
気液混相流の温度Ｔと前記固有振動数ｆとともに変換器
４に伝達される。なお、図１に示すコリオリ流量計１
は、Ｕ字形状の測定管１ａで説明したが、どんな形状の
測定管でも良く、また１本でも複数本で構成されていて
も良い。

【００１６】変換器４に伝達された時間差信号τは、気
液混相流の質量流量Ｑｍに比例した値であり、気液混相
流の温度Ｔは、固有振動数ｆに関係する測定管１ａのヤ
ング率を変化させる値であり、質量流量Ｑｍ，流体密度
ρは変換器４内で温度Ｔを基にして補正して求められ、
変換器４から混相流演算器５の統計的特徴計測部６に伝
達される。

【００１７】混相流演算器５は、統計的特徴計測部６，
パターン認識部７，学習部８，サンプルパターン９とか
らなり、パターン認識部７で同定された液体流量と気体
流量とを出力端１０から出力する構成となっている。

【００１８】統計的特徴計測部６は、気液混相流を計測
することにより生ずる質量流量Ｑｍ，密度ρの変動値を
入力して統計的特徴を計測するもので、気液混相流の気
体流量と液体流量との比率に従って生ずる質量流量Ｑ
ｍ、密度ρの変動波形を解折するものである。統計的特
徴の解折は振幅領域特徴と周波領域特徴を求めるもの
で、各々質量流量Ｑｍ、密度ρの変動波形に関して行わ
れる。

【００１９】振幅領域特徴は、前記変動波形をディジタ
ル的にサンプリングした各データに対する瞬時値が、平
均値からどの程度離れているかを求める尺度となる標準
偏差σ、変動波形の分布の平均値を中心とする非対称の
度合を示すゆがみ係数γ₁，変動波形の分布のばらつき
の度合を示す尖り係数γ₂とからなり、周波数領域特徴
は、ランダムな変動波形をフーリエ変換して変動波形の
特性を周波数領域で示すためのパワースペクトル密度Ｓ
である。上述の振幅領域特徴と周波数領域特徴からなる
変動波形の統計的特徴は波形の特徴ベクトルと呼ばれ、
横軸に気体流束（気体の見掛け流量：以後、気体流量と
記す）、縦軸に液体流束（液体の見掛け流量：以後、液
体流量と記す）をとった二次元座標系に対し、各々の特
徴ベクトルの強度を等高表示した地図状の特徴ベクトル
図が得られる。

【００２０】標準偏差σ、ゆがみ係数γ₁、尖り係数γ₂
およびパワースペクトル密度Ｓ等の特徴ベクトル図は、
気液混合流体の気液混合比および流量等により定められ
る変動波形のパターンによるもので各々の特徴ベクトル
図の横軸、縦軸上における論理和は、特徴空間における
クラスを表わすものであるが、そのクラスの基準となる
気体流量、液体流量は未知である。

【００２１】サンプルパターン９は、統計的特徴計測部
６で求められた特徴ベクトルの論理和としての特徴空間
のクラスを定めるため、予め実験により求められたを校
正データである。すなわち、気・液混合比、流量をパラ
メータとして特徴空間のクラスを定めている。

【００２２】学習部８は、サンプルパターン９により予
めクラスが定められた校正データの集合から、統計的特
徴計測部６で求めた特徴空間のクラスを分類するために
用いられるパラメータを計算する。

【００２３】パターン認識部７は、学習部８で分類され
た特徴空間のクラスに基づいて統計的特徴計測部６の特
徴空間のクラスをパターン認識に基づいて同定するもの
である。

【００２４】図２は、本発明に係る統計的特徴グリット
セルを説明するための図で、パターン認識部７で同定さ
れた点を、図２に示す統計的特徴グリットセル上の位置
Ｍとすると、位置Ｍに対する気体流量と液体流量をコン
ピュータによる画像処理により計測できる。しかも、位
置Ｍは、質量流量Ｑｍと密度ρと２つの統計的特徴の解
折によるものであり、従来の圧力信号だけを用いた場合
に比べるとパラメータが２倍となりより高精度で信頼性
の高い気体流量，液体流量を求めることができる。

【００２５】図３は、請求項２の発明の実施形態を説明
するためのブロック図で、図中、１１は差圧伝送器、１
２は差圧変換器であり、図１と同様の作用をする部分に
は、図１と同じ参照番号を付してある。なお、図３にお
いて、図１に示した混相流演算器５と同じものを用いる
ため、混相流演算器５を構成するパターン認識部７，学
習部８，サンプルパターン９の図示を省いている。

【００２６】請求項２の発明は、統計的特徴を質量流量
Ｑｍ，密度ρの２つのパラメータだけでなく更に、コリ
オリ流量計１の変動する差圧ΔＰを加えたものである。
すなわち、差圧伝送器１１は、測定管１ａの両端に導管
１１ａ，１１ｂを介して取り付けられ、差圧変換器１２
を介してコリオリ流量計１の差圧ΔＰを統計的特徴計測
部６に伝送し、該差圧ΔＰの統計的特徴を求め、前記質
量流量Ｑｍ，密度ρの統計的特徴と同様に、振幅領域特
徴と、周波数領域特徴と差圧ΔＰ波形の特徴ベクトル図
を求めるものである。従ってサンプルパターン９におい
ては、質量流量Ｑｍ，密度ρの校正データの他に差圧Δ
Ｐ波形の校正データも含まれ、パターン認識部７におい
て質量流量Ｑｍと密度ρ、および差圧ΔＰの統計的特徴
グリットセルの点から、気体流量，液体流量が同定され
る。従って、統計的特徴グリットセルの点は、更に差圧
ΔＰの変動波形の特徴ベクトル図が加えられて同定され
たものであるから請求項１の場合よりも、更に高精度、
高信頼度の気体流量，液体流量が求められる。

【００２７】請求項３の発明は、請求項２の発明におい
て、統計的特徴として質量流量Ｑｍ，密度ρおよび差圧
ΔＰをあげたが、これに加えて、更に測定管１ａの駆動
電力Ｗを加えたものである。

【００２８】前述のごとく、測定管１ａを固有振動数で
駆動する方式のコリオリ流量計１にボイド率の高い気液
混相流を流したときは、ドライブゲインが不安定となり
計測不能になるが、逆にドライブゲインの不安定要素
は、統計的手法においては有意義なものである。すなわ
ち、測定管１ａの駆動電力Ｗの統計的特徴を求めること
により、統計的グリットセル上の気体流量と、液体流量
の点を同定できるが、これを質量流量Ｑｍ，密度ρおよ
び差圧ΔＰの統計的特徴に加えることにより、より高精
度、高信頼度の気体流量，液体流量を求めることができ
る。この場合も、サンプルパターン９には、駆動電力Ｗ
を含める。

【００２９】図４は、請求項４の発明に係る油水分計の
例を説明するためのブロック図であり、図中、１３は油
水分計、１４はマイクロウエーブ発信器、１５はマイク
ロウェーブ受信器、１６は差動アンプ、１７は基準エネ
ルギである。

【００３０】請求項４の発明は、気液混相流中の液相が
油と水の混相流であるとき、請求項１乃至３項の発明で
求められた液体流量から油流量と水流量を求めるもので
ある。

【００３１】図４に示した油水分計１３は、周知のもの
で、例えば、図１に示した流出管３を流れる気液混相流
中にマイクロウエーブ発信器１４とマイクロウェーブ受
信器１５とを所定間隔をもって設置してある。マイクロ
ウエーブ発信器１４から送信され、マイクロウェーブ受
信器１５で受信したマイクロウエーブは気液混相流中の
水に吸収されて減衰し差動アンプ１６の一方に入力し、
基準エネルギ１７と比較される。差動アンプ１６は比較
信号を零とするようにマイクロウエーブ発信器１４の出
力を増加し、このときの差動アンプ１６の出力から油分
濃度および水分濃度を検出する。

【００３２】空気と油と水の多相流中の油と水の流量
は、気液混相流中の液相の流量に、油分濃度と水分濃度
の比率を乗算することにより求められる。なお、油水分
計１３は一例を示すもので、混相流の誘電率差により静
電容量を求める静電容量式又は、混相流の導電率から求
める導電率方式から油分、水分濃度を求めることができ
る。

【００３３】図５は、請求項５の発明の実施形態例を説
明するためのブロック図であり、図中、１８はホモジナ
イザであり、図３と同様の作用をする部分には、図３と
同一の参照番号を付してある。

【００３４】図中、ホモジナイザ１８はコリオリ流量計
１に流入する気液混相流を略一定な気液混相流にするた
めの混合装置であり、例えば、流入する気液混相流を施
回し、次に逆施回することにより気液混相流中の気相を
微細な気泡としてコリオリ流量計１に流入し、常に安定
した混合比の気液混相流としたものである。

【００３５】気液混相流は、Taiter and Dukier等の流
れの形態マップが示すように、水手流れにおいては気体
流束と液体流束の大きさに従ったクラス分けされ、その
クラス毎に流れ形態が変化し気泡流，階層流，波状流，
砲弾流，環状流等が形成される。従って、この様にクラ
ス分けされた流れがコリオリ流量計に直接流入すること
により測定管１ａの駆動を不安定にする可能性があるの
で、ホモジナイザ１８をコリオリ流量計１の上流側に設
けることにより、より大きいボイド率の気液混相流の計
測を可能にする。

【００３６】

【発明の効果】

請求項１に対応する効果：気液混相流をコリオリ流量計
に流したとき、ボイド率が高くなると計測不能になるこ
とを利用して、流量Ｑｍ，密度ρの変動波形の統計的特
徴を特徴ベクトルの強度として特徴ベクトル図を設けて
サンプルパターンと対比して統計的特徴グリットセル上
の点を同定するので、従来は差圧信号の特徴ベクトルの
強度からのみ点を同定したのに比ベ、２倍の統計的情報
に従って同定するので気体流量，液体流量の測定精度が
向上し、且つ、信頼性が向上する。

【００３７】請求項２に対応する効果：請求項１の発明
に対し、更に、コリオリ流量計の差圧ΔＰの変動波形の
統計的特徴を付加したので、請求項１の発明に対し、更
に測定精度と信頼性が向上する。

【００３８】請求項３に対応する効果：請求項２の発明
に対し、コリオリ流量計を駆動する駆動電力Ｗの波形統
計的特徴を付加したので、請求項２の発明に対し、更に
測定精度と信頼性が向上する。

【００３９】請求項４に対応する効果：請求項１乃至３
の発明により求められた液体が、油と水の混相流である
とき、油水分計を用いて油濃度と水濃度の比率が計測で
きるので、油分流量と水分流量とを分離計測することが
できる。

【００４０】請求項５に対応する効果：請求項１乃至４
項の発明において、コリオリ流量計の上流に混相流の混
合手段を設けたので、ボイド率の高い気液混相流の計測
を可能とする。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施形態を説明するためのブロック
図である。

【図２】 本発明に係る統計的特徴グリットセルを説明
するための図である。

【図３】 請求項２の発明の実施形態を説明するための
ブロック図である。

【図４】 請求項４の発明に係る油水分計の例を説明す
るためのブロック図である。

【図５】 請求項５の発明の実施形態例を説明するため
のブロック図である。

【符号の説明】

１…コリオリ流量計、２…流入管、３…流出管、４…コ
リオリ流量計１の変換器、５…混相流演算器、６…統計
的特徴計測部、７…パターン認識部、８…学習部、９…
サンプルパターン、１０…出力、１１…差圧伝送器、１
２…差圧変換器、１３…油水分計、１４…マイクロウエ
ーブ発信器、１５…マイクロウェーブ受信器、１６…差
動アンプ、１７…基準エネルギ、１８…ホモジナイザ。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２点支持された測定管を固有振動数で駆
   動するコリオリ流量計と、該コリオリ流量計に気液混相
   流を流し、前記測定管に作用するコリオリの力に応じた
   流量位相差信号と前記気液混相流の密度に応じた振動数
   の振動波形を検出し、前記気液混相流の温度補正された
   流量信号および密度信号を出力する変換器と、該流量信
   号と該密度信号の統計的特徴を特徴ベクトルの強度とし
   て求めて、あらかじめ定められた気液混相流における気
   相流束と液相流束のサンプルパターンと対比し、該サン
   プルパターンの統計的グリッドセル上の位置を同定して
   前記気液混相流の気体流束と液体流束を求める混相流演
   算器とを有することを特徴とするコリオリ流量計を利用
   したパターン認識法による多相流量計。
2. 【請求項２】 前記測定管の両端に差圧を検出する差圧
   計を設け、前記混相流演算器で求めた前記流量信号と前
   記密度信号の特徴ベクトルの強度に加え、前記差圧計で
   検出した差圧信号の特徴ベクトルの強度を求め、前記サ
   ンプルパターンに前記差圧信号を含めることを特徴とす
   る請求項１に記載のコリオリ流量計を利用したパターン
   認識法による多相流量計。
3. 【請求項３】 前記混相流演算器において求めた前記流
   量信号と前記密度信および前記差圧信号に加え、コリオ
   リ流量計の前記測定管を駆動する駆動電力の特徴ベクト
   ルの強度を求め、前記サンプルパターンに前記駆動電力
   を含めることを特徴とする請求項２に記載のコリオリ流
   量計を利用したパターン認識法による多相流量計。
4. 【請求項４】 前記気液混相流において、液相が水と油
   である三相流体であるとき、前記コリオリ流量計の後流
   に油水分計を設け、液相の水と油の各々の流量を求める
   ことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のコリ
   オリ流量計を利用したパターン認識法による多相流量
   計。
5. 【請求項５】 前記コリオリ流量計の上流に、前記気液
   混相流の気相と液相とを均一に混合する混合手段を設け
   たことを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載のコ
   リオリ流量計を利用したパターン認識法による多相流量
   計。