(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
使用の際、密度を測定される不均質流体中に少なくともその一部が浸かる機械振動子と、
前記機械振動子に作動を提供し、前記作動に対する前記機械振動子の応答を感知し、前記応答を表す出力信号を提供する駆動/受信部と、
前記駆動/受信部の前記出力信号に基づいて、前記機械振動子の共振周波数を測定する評価部と、を備え、
前記評価部は、前記出力信号を一定期間モニタリングすることで振動分布を測定し、前記振動分布から共振周波数推定を測定し、測定された前記共振周波数推定と名目共振周波数との差に基づいて不均質流体の密度を測定することを特徴とする不均質流体密度測定装置。
【請求項２】
請求項１において、前記評価部は、前記振動分布から前記共振周波数推定を測定し、前記共振周波数推定に基づいて前記不均質流体の密度を測定する計算部を備えることを特徴とする不均質流体密度測定装置。
【請求項３】
請求項２において、前記評価部は、前記出力信号から振動分布を測定する計測部を備えることを特徴とする不均質流体密度測定装置。
【請求項４】
請求項３において、前記出力信号は、前記機械振動子の前記応答のサンプリングを表すことを特徴とする不均質流体密度測定装置。
【請求項５】
請求項２において、前記計算部は、前記振動分布から前記共振周波数推定を測定するためのフーリエ変換を適用することを特徴とする不均質流体密度測定装置。
【請求項６】
請求項２又は３において、前記振動分布は、前記出力信号から得られる振動周期分布を含むことを特徴とする不均質流体密度測定装置。
【請求項７】
請求項６において、前記振動周期分布は、前記出力信号の複数の連続振動周期の期間を測定し、前記期間を表す値を配列に記憶することによって、前記出力信号から得られた振動周期値の配列を含むことを特徴とする不均質流体密度測定装置。
【請求項８】
請求項２乃至７の何れか一項において、前記計算部は、前記振動分布から共振ピーク値をさらに測定することを特徴とする不均質流体密度測定装置。
【請求項９】
請求項２乃至８の何れか一項において、前記計算部は、多機能の確率密度分布曲線を用いて、前記振動分布から少なくとも２つの共振ピーク値を測定することを特徴とする不均質流体密度測定装置。
【請求項１０】
請求項２乃至９の何れか一項において、前記振動分布を表示する表示部をさらに備えることを特徴とする不均質流体密度測定装置。
【請求項１１】
請求項２乃至１０の何れか一項において、前記計算部は、前記振動分布から前記共振周波数推定を測定し、前記共振周波数推定に基づいて前記不均質流体の密度を測定するマイクロプロセッサを備えることを特徴とする不均質流体密度測定装置。
【請求項１２】
請求項１乃至１１の何れか一項において、前記機械振動子の振動周期は、０．１から１．０ｍｓの範囲内であることを特徴とする不均質流体密度測定装置。
【請求項１３】
請求項２乃至１０の何れか一項において、前記計算部は、前記機械振動子の振動周期の平均値を測定することを特徴とする不均質流体密度測定装置。
【請求項１４】
請求項１乃至１３の何れか一項において、前記機械振動子又は前記不均質流体の特性を計測するための温度センサ又は圧力センサなどのセンサを備えることを特徴とする不均質流体密度測定装置。
【請求項１５】
請求項１乃至１４の何れか一項において、前記駆動/受信部は、前記機械振動子に作動を提供するための電磁アクチュエータ又は圧電アクチュエータを備えることを特徴とする不均質流体密度測定装置。
【請求項１６】
請求項１乃至１５の何れか一項において、前記駆動/受信部は、前記作動に対する前記機械振動子の前記応答を感知するための圧電センサをさらに備えることを特徴とする不均質流体密度測定装置。
【請求項１７】
請求項１乃至１６の何れか一項において、前記機械振動子は、前記駆動/受信部に取り付けられた基部を有する音叉、ロッド、又はＴ字形の振動子を備えることを特徴とする不均質流体密度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、通常の条件及び高圧環境のいずれにおいても異なる攻撃的な媒体を含む流体の密度測定装置に関する。例えば、原油及びガスの生産や化学製品製造、石油化学製品製造、及び燃料やエネルギー産業などの輸送システムに適用可能である。
【背景技術】
【０００２】
流体の密度を計測又は測定する装置それ自体は既知である。そのような既知の装置の動作原理は、例えば、密度が測定される流体中に沈めた低周波機械振動子の適用に基づいている。この点について、特許文献１から４が参照される。媒体（例えば流体）の付加質量の影響により、機械振動子の共振周波数が変化する。既知の装置は、例えば発生する共振周波数偏移を測定するための計測回路を備え、必要な密度値の計算に用いられる場合がある。既知の機械振動子は、例えば音叉を含み、その対称なデザインによりセンサ本体への振動の伝達を防ぐ。従って、振動子の周波数特性に対する周りの金属部品の影響を排除する。共振周波数を測定するため、例えば、振動子の振幅周波数応答の走査器又は共振周波数で自己トリガリングする正帰還システムなどの種々の電子回路を使用することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】露国特許第２２９１４０３号明細書
【特許文献２】米国特許第４９２２７４５号明細書
【特許文献３】米国特許第６３８９８９１号明細書
【特許文献４】米国特許第６８４５６６３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記既知の装置は良好な性能を有するが、一方で次の一以上の欠点を有する。
【０００５】
まず、水−油エマルションのような不混和性成分（不均質混合物）から成る流体の密度測定に使用する場合、音叉を取り囲む媒体の特性が共振特性の変化を生じさせる。そのため、共振周波数の計測は不確実なものになり、結果、計測精度に悪影響を及ぼす。
【０００６】
また、上記既知の装置は吸蔵ガスを含んでいる流体の密度測定に不適当なことが分かった。そのような吸蔵ガスの存在は共振周波数に無視のできない急激な変化を生じさせて、その平均値に影響を及ぼし、さらに流体密度の測定に障害を来す場合があるためである。
【０００７】
上記に鑑み、本発明は、流体の密度測定のための精度強化した装置を提供することを目的とし、特に、水−油エマルションのような不混和性成分（ひいては不均質混合物を形成する）を含む流体又は吸蔵ガスを含む流体の密度測定のための精度強化した装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様によると、機械振動子と、上記機械振動子に作動を提供し、上記作動に対する上記機械振動子の応答を感知し、上記応答を表す出力信号を提供する駆動/受信部と、上記駆動/受信部の上記出力信号に基づいて、上記機械振動子の共振周波数を測定する評価部と、を備え、上記評価部は、上記出力信号から振動分布を測定し、上記振動分布から共振周波数推定を測定し、上記共振周波数推定に基づいて流体の密度を測定することを特徴とする流体密度測定装置を提供する。
【０００９】
本発明による装置は、振動分布から得られる共振周波数推定の測定に基づいて流体密度の測定を可能にする。
【００１０】
流体密度を測定するため、本発明による装置は、使用の際、密度を測定される流体中に少なくとも一部が浸かる機械振動子を備える。相応しい機械振動子としては、ロッド、音叉、Ｔ字形の振動子等が挙げられる。実施形態において、機械振動子は、本装置の駆動/受信部（ドライバ/レシーバ部）に取り付けられた基部を有する音叉である。
【００１１】
本発明による装置に適用される上記駆動/受信部は、使用時に次の機能をする：
−機械振動子に作動を提供し、
−作動に対する機械振動子の応答を感知し、
−応答を表す出力信号を提供する。
【００１２】
これを実現するため、駆動/受信部は、例えば機械振動子を作動するためのアクチュエータ（例えば電磁または圧電アクチュエータ）を備える。本発明による装置に適用される駆動/受信部は、アクチュエータに対する機械振動子の応答を感知するためにさらに装備される。アクチュエータに応えて、機械振動子は変位を受けて発振又は振動する。機械振動子のそのような発振又は振動は、例えば振動センサなどの駆動/受信部により感知できる。振動又は発振は、例えば速度センサ、加速度センサ（加速度計など）、又は変位センサにより測定できる。当業者に一般に知られるように、振動子の発振又は振動を感知するための様々な実装が実現可能である。実施形態において、駆動/受信部は、感知（即ちセンサとして、感知モードにおいて動作する場合）及び作動（即ちアクチュエータとして、作動モードにおいて動作する場合）の両方を提供する圧電要素を備える。
【００１３】
上記駆動/受信部は、作動に対する機械振動子の応答を表す出力信号をさらに提供する。例として、出力信号は機械振動子の変位、速度、又は加速度などに比例する電気信号の場合があり、例えば上記信号は駆動/受信部のセンサによって提供される。
【００１４】
本発明による装置は、機械振動子の共振周波数推定を測定するための評価部をさらに備える。本発明によると、共振周波数推定は、評価部により、駆動/受信部の出力信号から測定される振動分布から測定される。水−油エマルションのような不混和性成分（ひいては不均質混合物を形成する）を含む流体又は吸蔵ガスを含む流体内において機械振動子を適用する場合、上記振動子は異なる周波数、異なるインスタンスで発振又は振動することが提示された。一定期間にわたり機械振動子の振動挙動を監視することで、特定の（共振）周波数における単一の特異な振動ではなく、振動分布が結果として得られる。そのような振動分布から、本発明による装置に適用される評価部は流体の共振周波数の推定を測定できる。
【００１５】
本発明によると、振動分布は駆動/受信部の出力信号から測定される。本発明の範囲内において、振動分布は、例えば出力信号における観測として振動周期の分布を含むが、特にこれに限定されない。同様に、本発明の範囲内において、出力信号の周波数スペクトル（例えば出力信号にフーリエ変換を適用して得られる）、言い換えれば、機械振動子の振動又は発振の周波数成分を表すスペクトルは、振動分布とみなされる。当業者に一般に知られるように、振動は、振動の周期（又は期間）又は振動の周波数（周波数は周期の逆数）を特徴とする。そのため、振動分布は周波数分布又は振動周期分布により同様に表現できる。以下で詳細に説明するように、振動分布は種々の方法で得られる。例として、カウンタとコンパレータを用いて、一定期間（所定又は連続）中、駆動/受信部から得られる出力信号が評価部により監視できる。そのため、各周期の期間（又は期間を表す数字）が、例えば評価部の記憶部において記憶される。
【００１６】
上記振動分布から、評価部は、共振周波数推定（例えば、振動分布のピーク値、中央値、又は平均値から）をさらに測定でき、また、機械振動子（例えば、計測/測定された共振周波数推定と名目共振周波数（即ち、浸っていない場合の機械振動子の共振周波数）との差に基づいて）を取り囲む流体の密度値を測定する。
【００１７】
実施形態において、評価部は、振動分布から共振周波数推定を測定し、その共振周波数推定に基づいて流体密度を測定する（例えば、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、又は同種のものを備える）計算部を備えることがある。
【００１８】
実施形態において、評価部は、振動分布を得るための測定部を備える。上記測定部は、例えば、出力信号を受信し所定値（例えばゼロ）と比較するコンパレータと、カウンタと、カウンタ状態の書き込みレジスタ（一般的に記憶部）と、高周波発振器とを備える。実施形態において、コンパレータの出力はカウンタ状態の書き込みレジスタと接続される。出力信号周期の間に生じるパルス（例えば、高周波発振器により提供される）の数を数えることで、記憶部記憶され得る振動周期の値が得られる。比較的長い期間中このプロセスを繰り返すことで、作動に応答して生じる振動周期の分布を表す振動分布が得られる。
【００１９】
測定部及び計算部は、マイクロプロセッサを考慮して設計される。そのようなマイクロプロセッサは、本発明の実施形態において、例えば、機械振動子の振動周期の平均値などとして共振周波数推定の測定にさらに適用できる。代わりに又は加えて、マイクロプロセッサは、多機能の確率密度分布曲線（polyfunctional probability density distribution curve）を用いて機械振動子の振動周期の少なくとも２つの値を評価できる。そのような曲線は例えば多項式曲線であり、曲線あてはめなどにより、振動分布の評価や振動周期の一以上のピーク値の測定に使用できる。
【００２０】
本発明による装置は、例えば、流体や振動子の温度や流体の圧力などの流体又は機械振動子の特徴を計測するセンサをさらに備える。
【００２１】
本発明による装置は、測定された流体密度及び/又は振動分布を表示する表示部をさらに備える。
【００２２】
同種の参照記号が同種の部品を指す添付の図面と合わせて、以下の詳細な記述を参照することによって、先述の態様及び他の態様がよりよく理解され、より容易に理解される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施形態による装置の概略図を示す。
【図２】本発明の他の実施形態による装置の概略図を示す。
【図３ａ】第１の不均質流体の振動分布の概略図を示す。
【図３ｂ】第２の不均質流体の振動分布の概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明は、流体密度測定装置に関する。流体密度を測定する既知の装置は、例えばアクチュエータにより作動された機械振動子の振動を感知するセンサを備える（そのため、センサとアクチュエータは駆動/受信部に組み込まれる）。また、上記既知の装置は、機械振動子の共振周波数の変化を測定することで、計測される媒体（例えば流体）の密度を測定する評価部を備える。図１の概略図に示される本発明の実施形態による装置は、振動分布を測定する評価部を備える点において既知の装置と相違する。機械振動子の振動分布を解析することで、機械振動子を周囲する計測される媒体（例えば流体）の密度ゆらぎについての統計的に有効な情報を得ることが可能である。その結果、流体密度の計測の改善された精度が実現できる。特に、本発明の装置は、水−油エマルションのような不混和性成分（ひいては不均質混合物を形成する）を有する流体又は吸蔵ガスを含む流体の流体密度の測定において改善した精度を提供することが見出された。
【００２５】
図１に示されるように、本発明による装置は、機械振動子１００と駆動/受信部１１０を備える。上記駆動/受信部１１０は、該振動子に作動を適用し、作動に対する上記振動子の応答を感知し、該応答を表す出力信号を提供する。例として、駆動/受信部は、振動子を作動するため及び/又は振動子の応答を感知するための一以上の圧電要素を備える。上記振動子は、例えば、高周波発振器により供給されるパルス信号などにより作動され得る。機械振動子を作動する上記信号は、雑音信号（言い換えれば、複数の異なる周波数成分を含む信号）をも含む場合があり、そのため、異なる周波数で機械振動子を励起する。図１に示されるように、本発明による装置は、評価部１２０をさらに備える。この評価部１２０は、出力信号からの振動分布を測定し、上記振動分布から共振周波数推定を測定し、上記共振周波数推定に基づいて流体密度を測定する。
【００２６】
実施形態において、評価部は、駆動/受信部により受信される出力信号をサンプリングすることによって、該出力信号から振動分布の測定をする。実際には、機械振動子は、その動作共振周波数が１０００から１００００Ｈｚの範囲（従って、０．１から１．０ｍｓの振動周期を有する）になるように設計され得る。音叉が振動子として使用される場合には、主に音叉の先端長さ及び横断面を変化することでこれが達成される。この周波数帯域を選択するのは、例えば次の考察に基づく。振動周波数は、流体の壁層の有効厚を増加するように出来る限り低くすべきであり、計測される流体の不均質性の影響を減少させる。しかしながら、これは音叉の先端長さの増大を導くこととなり、流れにおいてより不安定となる。また、音叉が油−水−ガス流れを含んでいる管に設置される場合、構造全体が巨大となり、現実の環境での使用に適さなくなる。これは、１２００Ｈｚ以上の共振周波数を有する音叉が通常用いられる理由を説明する。
【００２７】
機械振動子の予測周波数帯域に基づいて、適切なサンプリング周波数が出力信号をサンプリングするために測定される。好ましくは、上記サンプリング周波数は、上記振動子の予測応答のナイキスト周波数と同じかそれ以上である。サンプリングされた出力信号が得られた場合（評価部は、例えばそのようなサンプリングのための専用測定部を備える場合がある）、周波数スペクトル（概して振動分布）は上記サンプリングされた出力信号にフーリエ変換（例えば離散フーリエ変換）を適用することで得られる。上記周波数スペクトルから、評価部（又は評価部の計算部）は、例えば周波数スペクトルのピーク値として、共振周波数推定を測定できる。この共振周波数推定に基づいて、評価部は、共振周波数推定を振動子の参照共振周波数（例えば、既知の密度を有する流体又は空気中に適用される振動子の共振周波数）と比較することにより調べられる流体密度のための値を得ることができる。温度要因を考慮すると、例えば半導体や白金抵抗温度計などの温度センサが、振動子及び/又は機械振動子自体を取り囲む流体の温度を計測するためにさらに提供され得る。
【００２８】
図２は、本発明の他の実施形態による装置の概略図を示す。本装置は、膜（メンブレン）２に固定された機械振動子（例えば音叉１）と、受信圧電要素３及び送信圧電要素４を有する駆動/受信部（例えばバイモルフ圧電素子）を備える。受信及び送信圧電素子３、４は、前置増幅器５を備える電子回路と接続し、その入力は受信圧電要素３、位相補正回路６、及び終段増幅器７と接続し、その出力は送信圧電要素４とつながる。例に示すように、終段増幅器７は、出力パルスを形成するコンパレータ８とさらに接続する。コンパレータ８は、カウンタリセットパルス生成器９を介してカウンタ１０と接続し、またカウンタ状態の書き込みレジスタ１１と接続する。上記カウンタ１０は高周波発振器１２の出力とつながる。カウンタ状態の書き込みレジスタ１１の出力は、該書き込みレジスタの出力に基づいて振動分布を測定する計測ブロック１３と接続する。計測ブロック１３は、表示部１５を備える計算部１４とさらにつながる。上記機械振動子は温度センサ１６をさらに備えている。図２の実施形態に示す要素５から１４は、本発明の装置に適用される評価部をどのように実現するかの一例と考えられる。
【００２９】
図２に概略的に示される装置において、流体密度の計測は、例えば振動周期履歴のモニタリング（監視）などにより得られる振動分布の（統計的な）解析により行われる。機械振動子（音叉）は、駆動/受信部による作動の適用に起因して共振周波数Ｆで発振する。例えば、電子回路（要素５、６、７）により送信圧電要素４が制御される。通常、音叉振動子の周波数は１２００から５０００Ｈｚの範囲である。その結果、Ｔ＝１／Ｆの周期を有する交流電圧（即ち、振動分布の測定に適用される出力信号）は、増幅器７の出力に生成される。この周期は、振動子が浸かる媒体の密度に依存する。
【００３０】
本発明の実施形態によると、一定の周期中、振動子の発振又は振動は監視され得る。従って、各周期に対して周期長が測定される（又は、周期長を表す値が測定される）。図２に示される実施形態によると、各周期長が下記に示すように測定され得る。高周波発振器１２は、例えば１６ＭＨｚの周波数で高周波パルスを連続的に生成できる。各計測前に、例えば周期の始まりを検出次第（例えば振動子の変位が中立位置に対応する場合）又は出力信号（例えば、振動子の変位、速度、加速を表す）の値がゼロや所定値の場合、カウンタリセットパルス生成器９はカウンタ１０をゼロ状態に初期化する。カウンタ１０は、各周期中に入力高周波パルスの数を数える。カウンタリセットパルスの発生前に、カウンタから得られるデータは、例えばコンパレータ８からの出力パルスによって上記書き込みレジスタ１１（概して記憶部）に書き込まれる。その結果、振動周期Ｔに比例して、上記書き込みレジスタ１１に２進数が書き込まれる。レジスタの内容は計測ブロック１３のメモリと計算部１４に記録される。次に、上記処理は反復的に周期数繰り返されて振動分布をもたらす。上述の実施形態において、振動周期分布である。
【００３１】
データが蓄積された場合、マイクロプロセッサは、時間の経過とともに流体密度が変化するはずである、計測された周期長の分布を表すグラフを（例えば上記実施形態の表示部１５に）生成できる。グラフ又はグラフのデータは、例えば周期長の平均値を計算することによって、（例えば水−油エマルションのような不混和性成分又は吸蔵ガスを含む不均質媒体などの）流体の密度を評価するように（例えば計算部１４で）さらに適用される場合がある。計算部１４は、中間又は平均周期長を測定するための一以上の確率的基準を適用する場合がある。計算された周期長の値は、上述の共振周波数推定の逆数と考えられることは注目に値する。統計的基準を用いる、計測において観測された周期長を表す値の測定は、それゆえ振動分布から共振周波数推定を測定する一例と考えられる。
【００３２】
音叉（概して機械振動子）が流体中に浸かり作動される場合、媒体密度により決定する周波数で発振する。その結果、対応する周波数を有する信号は、コンパレータ８の出力に生成される。上記信号の二つのポジティブフロント（positive fronts）間の距離は、例えば周期長と等しい。流体が均質媒体の場合、その密度は一定で、振動周期は（ひいては周期長）安定する。従って、その場合振動分布曲線は縦軸に狭くなる。時間基準（横座標）上の位置は、さらなる評価なしで流体の要求密度を全面的に決定する。
【００３３】
流体が不均質媒体の場合、その密度は様々であり、従って音叉は流動的な密度流に配置される。そのため、振動周期（又は振動周期長）は一定範囲内で変化し始め、振動周期分布の拡散を招く。図３ａは、油−水混合液などのやや不均質の微細分散した流体についての典型的な振動分布を示す。図３ａは、振動周期長（Ｔ）の関数として、出力信号における振動周期の発生又は確率密度（Ｄ）を概略的に示す。分布曲線（Ｔ）の最大値は、第１近似において平均流体密度を決定する。さらなる統計的な解析は、例えば、確率誤差、傾向分析の解析又は機械振動子の動作状態が評価されることによって、結果の有効性をさらに強化する。
【００３４】
図３ｂにおいて、油−水混合物などの際立った不均質流体についての典型的な振動分布が示される。分布最大値（Ｔ１、Ｔ２）の位置は、どれが液相を表し、どれがガスを説明するのかを決定するのに用いられ得る。油（より長い周期）に関する部分が識別され、その密度が評価される。
【００３５】
本発明の装置による実施例は、下記に言及される。
−音叉振動子、４０ｍｍのフォーク長、直径４ｍｍ相当；
−圧電素子を備えたバイモルフ駆動装置、素子の直径１０ｍｍ、厚さ０．２ｍｍ；
−音叉材料、ステンレス鋼；
−センサの動作周波数、略３８００Ｈｚ；
−標準マイクロチップ及びマイクロプロセッサが電子回路内に使用されている。
【００３６】
上述の本装置は、特に水、鉱油、溶媒、化学物質、流体ガスなどの種々の流体で試験された。そのため、本装置の安定した性能及び信頼できる性能は試験流体の全てで観察された。
【００３７】
必要に応じ、本発明の詳細な実施形態が本明細書中で開示された。しかし、開示された実施形態は単に本発明の模範的なものであり、種々の形式で具体化できることが理解されよう。従って、本明細書で開示された特殊な構造上の及び機能的な詳細は、それに限定されるものとして解釈すべきではなく、単に請求の範囲の根拠として、かつ、本発明を実際上適切に詳細な構造でさまざまに使用するために当業者に教示する為の代表的な根拠として解釈すべきである。更に、本明細書で用いられた用語及び句が意図するのは、制限することではなく、むしろ、本発明の記述を分かりやすくすることである。
【００３８】
本明細書で用いられた用語「a」又は「an」は、１つ以上を意味するものとする。用語「複数（plurality）」は、２つ以上を意味するものとする。用語「別の（another）」は、少なくとも２番目かそれ以降のものと定義される。用語「含む（including）」及び／又は「有する（having）」は、「備える（comprising）」（即ち、オープンランゲージで排他的でない言葉）を意味するものとする。請求項の参照符号は本発明及び請求項の範囲を限定するものではない。ある手段が、相互に異なる従属請求項において引用されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利になるように使用されることができないと示すものではない。
【００３９】
用語「連結される（coupled）」は、本明細書で用いる場合、「接続される（connect）」であるが、必ずしも直接的には行なわれておらず、また必ずしも機械的には行なわれていないと規定される。
【００４０】
シングルプロセッサ又はその他のユニットが、請求項に記載されている機能を遂行してもよい。
【図１】
0005603412.tif 000002
【図２】
0005603412.tif 000003
【図３ａ】
0005603412.tif 000004
【図３ｂ】
0005603412.tif 000005