(57)【要約】導管に関連する流量計の使用によって、閉じた導管内の、流量計を通る流体の流れを監視する方法が、流体の流れの少なくとも１つの特性を示す信号を生成し何らかの変動を含む信号成分を測定するステップと、感知信号の少なくとも１つの成分を分析して第２の相の存在または不在を決定し、かつ／または、少なくとも１つの相の大きさを決定するステップとを有する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
導管に関連して配置された流量計を含む閉じた導管内の流体の流れを監視する方法であって、前記流量計が、ベンチュリ形流量計と、くさび形の差圧流量計と、ノズル形の差圧流量計と、可変面積形の差圧流量計と、超音波形流量計と、タービン形流量計と、コリオリ形流量計と、電磁形流量計とを含むグループから選択され、使用される流体が前記流量計を通して前記導管内を流れ、前記方法は、
流体の流れの少なくとも１つの特性を示す信号を生成するステップと、無調整の感知信号中のいずれかの変動を含むような前記感知信号の振幅および周波数成分の少なくとも一方を測定するステップと、
第２の相の存在または不在を決定し、かつ／または、流体の流れの少なくとも１つの相の大きさを決定するために前記感知信号の少なくとも１つの成分を分析するステップとを有することを特徴とする、閉じた導管内の流体の流れを監視する方法。
【請求項２】
流体の流れの少なくとも１つの特性を示す信号を生成するステップと、無調整の感知信号中のいずれかの変動を含むような前記感知信号の振幅および周波数成分の少なくとも一方を測定するステップと、流体の流れにおける第２の相の存在または不在を決定するために、前記感知信号の少なくとも１つの成分を分析するステップとを有し、流体の流れにおける第２の相の存在を検出するようになっていることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
流体の流れの少なくとも１つの特性を示す信号を生成するステップと、無調整の感知信号中のいずれかの変動を含むような前記感知信号の振幅および周波数成分の少なくとも一方を測定するステップと、流体の流れの少なくとも１つの相の体積流量または質量流量を決定するために、前記感知信号の少なくとも１つの成分を分析するステップとを有し、流体の流れにおける少なくとも１つの相を計測するようになっていることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
流体の流れの各々の相の体積流量または質量流量を決定するために、前記感知信号の少なくとも１つの成分を分析するステップを有することを特徴とする、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記流量計は、センサが１次変換器に関連し、体積流量との二乗関係または他の周知の関係を有する差圧測定信号を生成するのに適合したグループから選択されることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記流量計が、センサが１次変換器に関連し、周波数領域にあって周波数が体積流量に比例するような測定信号を生成するのに適合したグループから選択されることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記流量計が、センサが１次変換器に関連し、周波数成分が体積流量にほぼ比例するような振動測定信号を生成するのに適合したグループから選択されることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記流量計が、センサが１次変換器に関連し、流体の流れの密度および質量流量の複素関数であるような振動測定信号を生成するのに適合したグループから選択されることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記流量計を較正するステップを有することを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
２つの別個の相成分の流れが混合されて２相の流れを形成し、該２相の流れが選択された単一相流量計を通過する前に測定されるような別個の導管に２つの基準単一相流量計を配置することを特徴とし、前記選択された流量計の動作範囲を通じて各々の前記基準単一相流量計を通るそれぞれの流量を測定および記録し、これと同時に、試験対象の前記選択された流量計に関連するセンサが生成する全測定信号を各点で測定および記録し、これによって、無調整の感知信号全体の信号振幅の二乗平均平方根値（ｒｍｓ）、信号電力、およびスペクトル周波数成分を含むがそれらに限定されない信号データを復元し、個々の流体の流れの相の流量と全測定信号との間の関係を決定しひいては前記基準単一相流量計のデータに対して前記選択された流量計を較正するステップを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記選択された流量計と１次相および２次相と共に使用するのに適した２つの基準流量計を組み込んだ導管を装置内に含めることを特徴とし、２相の流体の流れを前記導管に送り込み、前記選択された流量計の動作範囲を通じて選択された点で前記選択された流量計の１次変換器に関連するセンサが生成する全信号を測定し、これによって、１次相の流量とそれぞれの前記１次変換器に関連する全測定信号との間の関係を決定しひいては前記基準流量計のデータに対して前記選択された流量計を較正するステップを有することを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記選択された流量計と液体の１次相の流体および気体の２次相の流体に適した２つの基準流量計を組み込んだ導管を装置内に含めることを特徴とし、２相の流体の流れを前記導管に送り込み、前記選択された流量計と、液体相の１次相の流体に適した基準流量計と、気体の２次相の流体に適したさらに別の基準流量計との動作範囲を通じて選択された点で基準流量計の１次変換器に関連するセンサが生成する全信号を測定し、これによって、流体の流れにおける液体および気体の相の組み合わせの流量とそれぞれの前記１次変換器に関連する全測定信号との間の関係を決定しひいては前記基準流量計のデータに対して前記選択された流量計を較正するステップを有することを特徴とする、請求項９または１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記選択された流量計の上流の前記流体の流れ導管に流れ調整装置が含まれることを特徴とする、請求項１０から１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記選択された流量計の上流の前記流体の流れ導管に渦発生器が含まれることを特徴とする、請求項１０から１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
気体を含む液体相に基づく２相の流体の流れによって較正を行うことを特徴とする、請求項９から１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
液体を含む気体相に基づく２相の流体の流れによって較正を行うことを特徴とする、請求項９から１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
前記感知信号の振幅の変化を２次相の存在に関する決定要因として使用することを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
計測すべき蒸気を伝える導管内に配置された流量計を含む閉じた導管内の蒸気の流れを計測する方法であって、前記流量計が、ベンチュリ形流量計と、くさび形の差圧流量計と、ノズル形の差圧流量計と、可変面積形の差圧流量計と、超音波形流量計と、タービン形流量計と、コリオリ形流量計と、電磁形流量計とを含むグループから選択され、前記方法は、
蒸気の流れの少なくとも１つの特性を示す信号を生成するステップと、
前記信号の振幅および周波数成分および電力を含むがそれらに限定されない成分を測定するステップと、
前記信号に関連する変動を保持するステップと、
前記信号の前記成分を分析して流体の流れの少なくとも１つの相の体積流量を決定するステップとを有することを特徴とする、閉じた導管内の蒸気の流れを計測する方法。
【請求項１９】
請求項９または１０に記載の方法によって選択された流量計を較正するステップをさらに有することを特徴とする、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記信号に関連する変動が２相の流体の流れの決定要因であることを特徴とする、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
導管内を流れる蒸気の品質を決定するようになっていることを特徴とする、請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】
液体を含む液体相に基づく２相の流体の流れによって較正を行うことを特徴とする、請求項９から１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２３】
固体を含む液体相に基づく２相の流体の流れによって較正を行うことを特徴とする、請求項９から１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２４】
水を含む蒸気相に基づく２相の流体の流れによって較正を行うことを特徴とする、請求項９から１７のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２相の流体の流れの監視における改善、またはそれに関連する改善に関し、特に、流れにおける第２の相成分の存在を検出し、１つまたは２つ以上の成分の流量を測定することに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
石油産業のような、いくつかの産業においては、流動流体は単一の成分でないことがある。例えば、流動流体は、かなりの割合の炭化水素気体を含む炭化水素液体である場合があり、また一方で、主要な成分が炭化水素気体であり、この炭化水素気体がかなりの割合の炭化水素液体を液滴の形態で保持するような逆の場合もある。あるいは、単一成分の流体が、液体にも気体にもなり得る圧力および温度の条件下で流れることもある。多くの産業では、（気体としての）蒸気が、伝熱媒体または滅菌媒体として使用される。蒸気を発生させる際、湿り度（液体の水が存在する度合）に関する蒸気の品質は、熱エネルギー源としての商業的価値、および、ひいては関連するプラント全体の性能と効率に影響を与える重要な特性である。
【０００３】
一般に、流れにおける第２の相成分の存在は、１次測定信号と、第１の相成分または主要な相成分との間の関係を変化させる。第２の相成分の存在を予想していなかった場合、第１の相成分の流量の指示値の誤差は非常に大きくなることがあり、場合によっては、流量計の動作が停止してしまうことがある。
【０００４】
本発明は、流れにおける第２の相成分の存在の検出と、従来の単一相流量計の１次変換器に関連するセンサの無調整信号全体の分析による２相の気体を含む液体または液体を含む気体といったような流れ様式における各相の相対的な大きさの決定とに関する。
【０００５】
製造プラントの大部分はその操業のため、プロセスの操業および処理手順に関与する様々な装置間の流体の輸送に依存している。一般に、関与するのは単一相の液体であり、この目的のために開発された計装は高い精度と信頼性を達成している。しかしながら、実際には、プラントの運転が不規則になり、単一相の流れに第２の流体が混ざることがある。こうした状況では、ほとんど全ての種類の流量計の動作は信頼性の低い不正確なものとなるため、製品が品質仕様を満たさなくなり、その結果製品の損失が生じたり、プロセスが停止したりすることになる。
【０００６】
産業界においては、流量計または他の測定システムに対する主要な要求は、プロセス制御システムへの入力のための信号を提供すること、あるいは、所定の量の流体を測定することである。このような要求を達成するために、測定信号が、「ノイズ」としても知られる不規則な低レベルの変動のない流量の定常平均値を提供するような調整を行うことが通例である。単一相の流れの動作では、センサ信号による感知信号は通常、計器と適用業務に応じて、数分の１秒から数分の時間にわたって平均化される。これによって、プロセスまたは他の設備上の影響による流れ様式の乱れや歪みによって発生する不可避的な変動の影響が減少し、プロセス制御および管理のために必要なより安定した示度が得られる。
【０００７】
本発明では、単一相流量計を使用した２相の流れの監視を可能にするため、変動に起因する追加情報を、１次流れ変換器に関連するセンサ信号（感知信号）から復元するようにしている。
【０００８】
実験室での研究が示したところによれば、流体が閉じた導管内を流れる場合、観察対象の流体が流れる通路となる多くの様々な種類の流量計内の１次センサの信号には、基本的なバックグラウンドレベルの変動が存在する。流体がパイプや、フランジ、エルボ管、ベンド管および弁といったようなパイプ取付部品を通して流れる際に流体中に発生する乱流の影響を含め、こうした変動にはいくつかの原因がある。さらに、ポンプ、フィルタおよび混合機といったような製造機器の動作に起因する影響もある。
【０００９】
単一相の流体の流れにおけるこうした変動の大きさは、通常、測定信号の平均レベルより少なくとも１桁低く、さらに上記測定信号の平均レベルよりはるかに低いことも多い。上記の変動は、一般的に「ノイズ」として識別され、従来は抑制すべき有害物または捨てるべき有害物とみなすのが通例であった。しかしながら、実験室での測定が示したところによれば、偶然にせよ意図的にせよ、第２の相が流れに導入された場合、この「ノイズ」のレベルは即時的かつ劇的に増大する。こうした状況で発生する様々な流れ様式には、測定システムの１次センサの無調整信号全体の分析によって対処することが可能である。センサ信号の比較的高い周波数、すなわち、約３Ｈｚ（ヘルツ）から５ｋＨｚ（キロヘルツ）またはそれ以上の周波数までであるが、同時に非常に低いレベルの成分、すなわち、「ノイズ」の分析によって復元される信号によって、気体を含む液体または液体を含む気体といったような流れ様式の各相の相対的な大きさを決定することができる。
【００１０】
本出願の同時係属出願である英国特許出願第０２１２７３９．７号では、渦流量計を使用して単一相および２相の流体の流れを測定する方法を説明しているが、ここでは１次センサの信号全体の分析によって様々な流れ様式に対処している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって、本発明の目的は、２相の流体の流れの発生または存在を確実に検出する方法を提供し、いくつかの種類の流量計の無調整１次センサ信号全体を測定し分析することによって、２成分流体の流れの各成分の体積流量もしくは質量流量か、または単一成分で２相の流れの各相の相対的な大きさかのいずれかを得ることである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明によれば、導管に関連して配置された流量計を含む閉じた導管内の流体の流れを監視する方法であって、上記流量計が、ベンチュリ形流量計と、くさび形の差圧流量計と、ノズル形の差圧流量計と、可変面積形の差圧流量計と、超音波形流量計と、タービン形流量計と、コリオリ形流量計と、電磁形流量計とを含むグループから選択され、使用される流体が上記流量計を通して導管内を流れ、前記方法は、流体の流れの少なくとも１つの特性を示す信号を生成するステップと、無調整の感知信号中のいずれかの変動を含むような上記感知信号の振幅および周波数成分の少なくとも一方を測定するステップと、第２の相の存在または不在を決定し、かつ／または、流体の流れの少なくとも１つの相の大きさを決定するために上記感知信号の少なくとも１つの成分を分析するステップとを有することを特徴とする方法が提供される。
【００１３】
また一方で、本発明の方法は、選択された単一相流量計からの１次信号と、上記１次信号中の変動と、個々の相の流量との間の関係を決定するために、個々の成分を混合して前記選択された単一相流量計の測定対象となる２相の流れを形成する前に、個々の成分の流量を正確に確立することができるように、各々の相に対して１つであって２つの基準の単一相流量計を使用することによって上記選択された単一相流量計を較正する予備的なステップを有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
流量計の種類
多様な流量計が存在するが、それらの全てが、２相の流れの発生または存在を検出し２成分の流体の流れの各成分の体積流量または質量流量を決定するための以下説明するような信号分析技術に適した測定信号を提供するわけではないことを認識するのは重要である。本発明に関する説明の目的で、適切な測定信号を提供するような一般的な種類の流量計を以下の４つのグループに分類する。
【００１５】
グループ１は、１次変換器が、体積流量と二乗関係を有する上部圧力測定信号または差圧測定信号を生成する流量計を含む。
【００１６】
グループ２は、１次変換器が、周波数領域にあって周波数が基本的に体積流量に比例するような振動測定信号を生成する流量計を含む。
【００１７】
グループ３は、１次変換器が、センサ信号の位相シフトが基本的に質量流量の関数であり周波数が流体密度の関数であるような複素振動測定信号を生成する流量計を含む。
【００１８】
グループ４は、電磁形流量計を含むが、当該グループは２つの主要な制限または限界を有する。第１の制限または限界は、気体に対して機能せず、さらに、ある程度の低レベルの導電性を有するものでないならば液体に対しても機能しないということである。第２の制限または限界は、電極と流動液体との間の界面で発生するスプリアス信号（spurious signals）に対処するために必要な信号処理が、実際には、電極信号の全ての「ノイズ」成分を除去してしまうということである。それにもかかわらず、上記の問題に対する妥協的な解決法を提供する信号処理技術が利用可能である。
【００１９】
下記の〔数１〕に示されている表１は、本発明で必要となる分析の種類を決定する１次センサ信号の特性によってグループ分けされた、本発明が適用可能な様々な種類の流量計のリストを示すものである。
【００２０】
【数１】
2006500557.tif 000002
【００２１】
全てのグループに共通の特性
産業上の適用業務では、流量計の種類と適用業務に応じて、数分の１秒から数分までのある値に予め設定される見込みのある時間にわたってセンサ信号を平均化するのが通例である。これによって、プロセスまたは他の設備上の影響に起因する流れ様式の外乱による変動の影響が減少し、プロセス制御および管理のために好適なより安定した信号が得られるが、同時に、センサ信号のより高い周波数の成分が除去される。実際には、２相の流れの発生または存在を識別し各相の大きさを決定するための情報を伝えるのはこうした成分である。
【００２２】
一般に、流れへの第２の相成分の導入または存在は、１次測定信号と第１の相成分の流量との間の関係を大きく変化させ、かつ、場合によっては劇的に変化させる。第２の相の存在が予想または認識されなかった場合、こうした関係の変化によって１次成分の測定された流量に誤差が生じることがあり、この誤差は大きなものとなる。
【００２３】
２相の流れの存在を識別し相の相対的な大きさを決定するための全てのグループに共通の処理手順
２相の流れの存在または発生を識別するための処理手順は、表１に記載の全ての一般的な単一相流量計について基本的に同じである。それには１次および２次両方の相の流れの全範囲にわたって流量計を較正するステップが含まれる。これは過剰な要求のように思われるかもしれないが、かなりの数のデータ点の取得が必要になるものの、上記の全ての流量計の製造が完了した際に行われるような、流量計を較正して流量計の「計器係数」または「較正定数」を決定するための処理手順の反復にすぎない。ただ、ある範囲の一定の流量の２次相が存在する状態で、予め選択された各々の１次流量について較正曲線を得るようにしている点が異なっている。
【００２４】
以下、添付図面（図１〜図３８）を参照しながら、本発明の好ましい実施例について詳述する。
【００２５】
図１は、ポンプで水の制御流れを発生させ、そこに空気を注入して２相の流れを形成することができるような試験流れ装置を示す図である。必要な較正を実現するために、流量計を図１に示すような構成の流れ装置に設置しなければならない。これはもちろん、選択された流体によって動作しなければならず、主要な研究のために、発明者は１次相に水を使用し、２次相に空気を使用した。低流量および中流量に関する試験では、１次相の水（１）は重力送りによってリザーバから引き込まれ、流れループに含まれるポンプ（２）は通電しない。個々の試験のための望ましい流量を一般的なプロセス制御装置（４）への設定点として適用し、プロセス制御装置（４）によって上記の望ましい流量を基準流量計（６）が測定した流量と比較する。そして、制御装置は、実際の流量が望ましい値となるように制御弁（７）の設定を調整するように制御弁（７）に印加する出力信号を生成する。重力送りの「水頭（head）」が試験のために必要な流量を提供するのに不十分な場合、弁（７）を全開に設定し、制御装置（４）の出力信号を弁（７）から可変速駆動装置（３）に転送すると、可変速駆動装置（３）は、望ましい流量が達成され一定に保たれるまでポンプ（２）の速度を調整する。
【００２６】
流れループ中の第１の流量計は、可動型の標準流量計（６）、すなわち、試験プログラムのために必要な精度と可動範囲を有するものである。実際の性能を仕様に準拠したものとするために、特に流量計の上流（８）および下流（９）の両方における直線形パイプの推奨長さの規定について、設置および使用に関する製造業者の指示を厳守することが必須である。
【００２７】
２相の流れ試験の場合、第２の相の圧縮空気（１０）の供給は、水の供給の場合と同様の機構を介して建築設備から得る。これには十分な精度で試験プログラム中の流量の範囲をカバーする基準流量計（１１）と、制御装置（１２）と、制御弁（１４）とを必要とした。動作の際に、制御装置は、流量の望ましい値を表す信号（１３）を基準流量計の信号（１１）と比較し、制御弁（１４）に適用されたときに空気の流量を望ましい値にする信号を生成した。
【００２８】
必要な場合、好適には、１次相の基準流量計（６）の下流の点（１５）の配管の中央に配置されるノズルであって、その結果当該基準流量計の性能にほとんど影響しないノズルを介して、空気を流れループに注入する。試験対象の流量計（１７）は、空気の注入点から下流に推奨長さの直線形パイプ（１６）を隔てて流れループ中に設置する。試験対象の計器の先には、ある長さの直線形パイプ（１８）がさらに提供され、液体リザーバに排出される前に流れを安定化させるようにしている。
【００２９】
流量計を較正するには、試験プログラムを行って、単一相および２相の流れについて所定の範囲の流量にわたる性能データを得ることが必要である。これによって、測定信号の特徴に関するグラフによるデータの行列が得られ、選択された流量計を使用して、単一または２相の流れの存在（または不在）を決定し、単一成分の流れの体積流量もしくは質量流量、または、２相の流れのいずれか一方もしくは両方の成分の体積流量または質量流量を決定することができるようになる。発明者は、第２の相に圧縮性である空気を使用しているので、試験対象の流量計の近くの管路圧力に注意することは必須である。試験対象の流量計自体が大きな圧力降下をもたらした場合、上流と下流の両方の圧力を測定し、１次変換器での実際の圧力を推定することができるようにしなければならない。
【００３０】
試験処理手順は、望ましい動作範囲にわたって測定信号と１次流体の実際の流量との間の正確な関係を確立するために、可動型の標準流量計または基準流量計に対する試験対象の流量計についての十分な較正点を収集することから始める。そして、予想される範囲のプロセス条件をカバーする一連の所定の流量のうち最も低い流量で２次相を導入し、同じ一連の１次流体の流量について処理手順を繰り返す。予想される範囲のプロセス条件を十分にカバーする十分なデータ点が収集されるまで、２次流体の他の予め選択された流量について処理手順を繰り返す。
【００３１】
各々の試験は通常、十分な時間をかけてループ内の流れを安定させてから、例えば１４ビットといったような高解像度のＡ／Ｄ変換器を使用し、例えば６４秒といったような統計的に有意の期間、例えば８ｋＨｚといったような高いサンプリングレートで試験対象の流量計の無調整のセンサ信号全体をサンプリングすることを含む。そして、データの各ブロックを高速フーリエ変換を使用して分析すればよい。こうした一連の測定の結果を図７〜図１１に示す。
【００３２】
上記で説明した較正手順は、２相の空気を含む水の流れについてのものであったが、２相の水を含む空気の流れについて実行してもよい。この場合、１次相の基準流量計で測定された制御されている状態の流量の１次流体（空気）が、空気タービンポンプから較正装置に送り込まれ、測定された流量で流れる２次相（水）が、２相の流れの測定のために較正対象の流量計の上流における空気の流れに注入される。
グループ１の流量計への適用
グループ１に含まれる種類の流量計、すなわち、ターゲット形流量計、ベンチュリ管形流量計、ノズル形流量計、くさび形流量計、および可変面積形流量計は全て、次の〔数２〕の式に示すようなベルヌーイの法則に従って動作する。
【００３３】
【数２】
2006500557.tif 000003
【００３４】
上記の〔数２〕の式は、基準点の上の高さｚにおいて、単一相の流体の流れの中のある点における圧力Ｐと平均流速Ｖとの間の関係を表しており、ここで、ρはその点での流体密度であり、ｇは重力加速度である。
【００３５】
（可変面積形流量計を除く）これらの全ての流量計では、体積流量ｑvは、次の〔数３〕の式の関係を使用して、１次変換器の上流と下流の推奨される距離にある２つのタップ点間の差圧ΔＰを測定することによって得られる。
【００３６】
【数３】
2006500557.tif 000004
【００３７】
ここで、Ｋは、レイノルズ数Ｒｅを介して流体特性に依存する較正定数である。
【００３８】
質量流量ｑmは、ｑm  ＝  ｑv＊ρによって与えられる。
【００３９】
可変面積形流量計では、差圧と流量との間の２次関係は、以下説明するような基本的に直線的な関係によって置き換えられる。
【００４０】
こうした種類の流量計は、１次変換器（差圧を発生させる装置）の上流と下流の所定の距離での管路圧力の差を測定することを必要とするが、これは２つの別個の圧力発信器ではなく差圧発信器を使用して達成される。その理由は、流量計自体が管路圧力で動作することはほぼ確実であるが、これはセンサの対応範囲よりはるかに大きく４桁ほども大きいことがあり、センサを損傷または破壊することが明らかであるからである。経験が示したところによれば、整合された１対の圧力発信器を使用しても、必要な精度を達成するために十分な安定性または感度は提供されない。したがって、二重ダイヤフラム装置を使用して差圧（ΔＰ）を管路圧力から隔離し、対応範囲が狭い圧力センサであって、本発明の特許の関係では、周波数応答性の広い単一の圧力センサを使用することができるようにする。
【００４１】
現在プロセス産業で使用されているΔＰ測定システムの大部分は、プロセス管理または制御の目的で正確で安定した信号を提供することを主眼とする適用業務のために設計・開発されたものである。また一方で、上記のΔＰ測定システムは、それらが動作しなければならないこともある苛酷な環境に耐える頑丈な構造を有し、危険な環境で使用するための認証を受けなければならない。
【００４２】
この結果、市販のΔＰ測定システムの大部分は応答時間が数分の１秒から数分までの間で調整可能になっている。このため、プロセスおよび他の設備上の影響によって発生する流れ様式の外乱による変動の影響はほぼ除去され、プロセス制御および管理のために好適なより安定した信号が得られる。しかしながら、センサ信号のより高い周波数の成分も除去されるが、実際に２相の流れの発生または存在を識別し各相の大きさを決定することができるような情報を伝えるのはこうした成分である。
【００４３】
しかしながら、数ｋＨｚまでの周波数応答性を有するΔＰ発信器もいくつか存在し実験室での試験で使用されているが、これらのΔＰ発信器の構造は、産業プラントの大部分に存在する苛酷な環境に耐えるには頑丈さが不十分である。同様に、１０ｋＨｚまでの周波数応答性を備えた圧力発信器も利用可能であるが、これらの圧力発信器の構造も一般に、産業界に存在する苛酷な条件には適していない。
【００４４】
差圧式の流量計のさらに別の例は図３に示すＶコーン（登録商標）形流量計である。この場合、１次変換器は、図示する方向に流れる流体（１）の通路となる導管（４）内に同軸状に設置されたコーン（６）であり、コーンの頂点が上流を向いている。このコーンは、当該コーンの下流側表面で圧力が低圧ポート（３）と流通する通路となるパイプによって定位置に保持され、その一方で高圧ポート（２）は短い距離だけさらに上流に配置される。コーン（６）の底面と導管（４）の内壁との間の比較的小さな半径方向の間隙（７）は、必要なβ比を提供するように設定される。コーンの全体にわたって増大した差圧は流量との二乗関係を提供するが、下流ポートの圧力信号は特に、２相流れの発生による「ノイズ」レベルの増大に応答する。
【００４５】
可変面積形流量計は、測定信号と流量との間の二乗関係によるグループ１の流量計の範囲の制限を克服するために開発された。可変面積形流量計（図２）はその一例である。これは、ばね（６）によって負荷をかけられ、（１）に示す方向に流れる流体の力の作用によって導管（７）とオリフィス板（４）との中で同軸方向に動くよう強制された、起伏を有するコーン（５）を備えている。これによって、オリフィスの有効範囲が変化するので、高圧ポート（２）と低圧ポート（３）との間で測定された差圧ΔＰは、他の差圧を発生させる種類の流量計の場合のようなｑvに対するΔＰの２次依存によるのではなく、体積流量ｑvに対してほぼ直線的に変化する。
【００４６】
これらの結果は主成分が蒸気であるような水を含む蒸気の流れにおける２つの相の流量の測定を可能にするセンサ信号中に存在するノイズに関する情報の利用を例示するが、主成分が液体であるような気体を含む液体の流れにも同じ処理手順が適用できることが認識されるであろう。液体を含む気体の流れの場合、例えば、ローズ，Ｅ．Ｍ．（Ｌａｗｓ，Ｅ．Ｍ．）著の論文「流れの調整−新しい展開（“Flow conditioning − a new development”）」、「流れの測定、計装（Flow Measurement. Instrumentation）」誌、１９９０年、第１巻第３号、１６５〜１７０頁に記載のようなローズ流れ調整装置の使用によって、２つの成分が流量計の入り口でよく混ざるようにすることは、一定した性能のために特に有益である。
【００４７】
一例としてのみ、以下、２相の気体を含む液体からなる流体の流れの２つの成分の体積流量を示す信号を生成するための、ギルフロー（登録商標）の商標で市販されている可変面積形流量計の利用法を説明する。
【００４８】
この可変面積形流量計は、気体と液体の相が流量計に近づく際に混合されていない場合でもオリフィスの両側に形成される乱流が有効な混合を生じさせるので、他の種類の流量計に対して特に有利である。さらに、ギルフロー（登録商標）流量計では、例えば歪みゲージによって、ばねに作用する機械力を測定することによって差圧変換器を除去してもよい。混合が達成されたことにより、この計器は、蒸気の品質や、天然ガスに含まれる凝縮炭化水素の比率の重要な測定に特に適している。蒸気の品質は、水と蒸気の混合物の全体積における蒸気の（体積）百分率であるので、蒸気の体積流量を蒸気と水の流量の合計で除算したものに等しい。蒸気の品質は、製造プロセスの熱源として蒸気が使用される場合は常に重要な測定値である。
【００４９】
液体と気体の両方の流量を測定するために、センサ信号中の変動をセンサ信号の通常の平均値と共に測定する。この変動は、信号サンプルの平均値についての二乗平均平方根信号の変動を計算することによって求めればよい。多くのサンプル値の平均信号値／ｘ（現行の電子出願形式ではｘの上部に線を付記することはできないので、ここでは、／ｘの形式でサンプル値の平均信号値を表すこととする）は、まず、次の〔数４〕に示す式によって算出される。
【００５０】
【数４】
2006500557.tif 000005
【００５１】
ただし、Ｎは、サンプリングがなされるデータ点ｘ（ｎ）の数である。
【００５２】
そして、平均値についての変動の二乗平均平方根値ｘrmsは、次の〔数５〕に示す式によって算出される。
【００５３】
【数５】
2006500557.tif 000006
【００５４】
ただし、Ｎは、サンプル信号値ｘ（ｎ）の（最大）数である。ｘrmsは、データサンプルの標準偏差と同じである。
【００５５】
あるいは、変動はサンプリングがなされるルセンサ信号の周波数スペクトルから得てもよい。
【００５６】
以下のグラフでは、全ての圧力および差圧は４〜２０ｍＡの電流ループで動作する発信器を使用して測定し、関連する信号調整回路は、測定された圧力および差圧を、発信器の範囲に対応する０〜＋１０Ｖの信号に変換する。縦の目盛りはゼロ流量での０Ｖから最大流量での＋１０Ｖまで変化する電圧で表される差圧を表す。データは毎秒約４，０００サンプルの差圧信号をサンプリングすることによって得た。
【００５７】
図７〜図１１では、一定の蒸気の流量と７つの異なる水の流量について、平均値に対する差圧センサ信号の変動を示す時間領域グラフが示されている。また一方で、各々の時間変動グラフには変動の周波数スペクトルを併記しているが、これは信号のＦＦＴ（高速フーリエ変換）を行い、１，４００Ｈｚまでの電力スペクトルをグラフに表すことによって得たものである。二乗平均平方根値（ｒｍｓ）の圧力変動は、スペクトル中の全ての個別の周波数のスペクトル電力を合計し、この合計結果の平方根を取って計算すれば結果ΔＰrmsが得られる。さらに、スペクトル内のいずれかの有限の範囲の「ノイズ」を合計してもよいが、流れを駆動するポンプに起因する圧力の脈動は避けなければならない。
【００５８】
図７〜図１１は、圧力信号中の変動が蒸気の流れの湿り度と共に増大することを明らかに示しているが、図５は、蒸気の品質が平均差圧降下にほとんど影響しないことを示している。図６は、二乗平均平方根値（ｒｍｓ）の圧力変動が、可変面積形流量計の場合は蒸気の湿り度に対してほぼ直線的に増大することを示しているので、湿り度を測定するために直接使用することができる。
【００５９】
２相様式における個々の流れの相対的な大きさを決定するために、まず流量計の対象となる１次流体の単一相の流れの範囲の１次および追加のセンサ信号の測定とグラフ化により、流量計を較正しなければならない。そして、１次流体の流量を一定に保持しつつ２次流体の流量を対象範囲全体にわたって段階的に変化させて処理手順を繰り返さなければならない。
【００６０】
いずれかの値の蒸気の流量に対して、二乗平均平方根値（ｒｍｓ）の変動は、注入された水の流量に比例して激しく変化する。センサ信号の二乗平均平方根値（ｒｍｓ）の変動の増大によって、１次相（蒸気）に導入された２次相（水）の量に応じたセンサ信号の弁別がなされることは明らかである。
【００６１】
４つの変数（蒸気の流れ、水の流れ、１次信号、および追加信号）の間の関係は非直線的であるが、多層ニューラルネットワークは、複雑な非直線データを適合させることができるので、観察可能なデータを処理することによって１次および２次の両方の相の流量について良好な測定値が得られるシステムを生成する方法を提供する。
【００６２】
ここでは、４つの入力データ値をニューラルネットワークへの入力として使用すればよい。４つの入力データ値とは、１次信号（差圧ΔＰ）と、追加信号すなわちｒｍｓ信号変動ΔＰrms、二乗変動（ΔＰrms）2、および、ΔＰにおける変動の対数電力スペクトルの平均値である。４つの入力値から１次相（蒸気）の流量と２次相（水）の流量という２つの出力値を生成するように、ネットワークをトレーニングすることができる。
【００６３】
ネットワークをトレーニングするため、同じ２相の流れ条件下でデータの２つの別個の集合を収集しなければならない。一例として、タービン形流量計についてトレーニングおよび試験を行った後のニューラルネットワークの出力を図１７に示す。トレーニングと試験のデータ点が一致していることは測定の反復性が良好であることを示している。点が一致しない箇所は再現性の尺度であり、おそらくは、試験装置中の流れ様式の不安定性により生じたものであり、かつ、平均およびｒｍｓ信号値を推定するのに十分な時間をかけなかったために生じたものである。
【００６４】
グループ２の流量計への適用
タービン流量計がグループ２の主要な形式である。これは中心軸によって支持された軸受上で動作するブレード付きロータ組立体からなる。流れ整流装置の役目も果たす上流と下流のハンガによって、組立体全体が、流量計の本体内の中央に設置される。ロータの角速度は、流量計を通過する流体の体積流量に比例する。
【００６５】
こうした流量計の大部分では、１次センサは、個々のロータブレードがセンサに近づき通過する際の磁気抵抗の変化によって準正弦波電圧信号が発生するように周囲にコイルを巻いた強力な磁石を備えている。しかしながら、これは低流量時に流量計の性能に有害な影響を与えるロータのごく小さな減速力をロータに加えることになる。このような問題は、各々のブレードがセンサに近づき通過する際にパルス形の過渡電圧信号を生成するような可聴周波数以上で動作する誘導センサを使用することによって対処すればよい。
【００６６】
どちらの場合でも、信号は通常、各々のパルスが個別の量の流体の通過に対応するように、関連する信号調整回路によってパルスの列に変換される。流れが一定の場合、ブレードに衝突する流体によって発生する駆動トルクは、ロータに作用する粘性力の結果として生じる抗力、およびセンサに起因する減速力と正確に均衡する。
【００６７】
非理想的な挙動についての小さな補正は別として、ロータの回転周波数ｆ1またはブレードの通過周波数ｆbから、次の〔数６〕の式に示す流量が得られる。
【００６８】
【数６】
2006500557.tif 000007
【００６９】
ここで、ＮBはロータのブレードの数であり、Ｋは較正定数である。
【００７０】
このカテゴリーに入る別の種類の流量計は超音波ドップラー形流量計である。
【００７１】
一例としてのみ、以下、２相の気体を含む液体の流体の流れにおける２つの成分の体積流量を示す信号を生成するための、タービン形流量計の利用法を説明する。
【００７２】
タービン形流量計の場合、１次信号はタービンブレード通過周波数ｆBであり、センサの種類に応じて各々のブレードが基準位置を通過することに関連する準正弦波または一連のパルスのいずれかとして認識される。周波数ｆBは、ある数のパルスが発生する時間間隔を測定することによって得ればよい。追加信号は、連続パルス間の間隔における変動の二乗平均平方根値から導出すればよい。すなわち、Ｎ個のパルスが時間Ｔの間に発生したならば、周波数ｆB  ＝  Ｎ／Ｔであり、発生したパルス間の平均期間／τ（現行の電子出願形式ではτの上部に線を付記することはできないので、ここでは、／τの形式でパルス間の平均期間を表すこととする）は１／ｆBである。連続パルス間の時間間隔が一連の時間ｔ（ｎ）であれば、発生時間における二乗平均平方根値（ｒｍｓ）の変動τrmsは次の〔数７〕に示す式から計算すればよい。
【００７３】
【数７】
2006500557.tif 000008
【００７４】
図１２は、タービン流量計の基本較正曲線を示すグラフである。ｘ軸は流体の流量（水）を示し、ｙ軸は対応するセンサ信号周波数を示す。ここでは、良好な比例関係が示されている。
【００７５】
図１３は、各々のブレードがセンサを通過する際に生成された連続パルス間の時間間隔のグラフを示すものである。時間間隔の平均は５ミリ秒であるが、５つのブレードロータを備えたタービン形流量計のブレードの連続する対についての間隔はわずかに不均等であることがわかる。これはブレードの間隔のわずかな差のためである。すなわち、一番上の線はブレード４が到達する前の（すなわち、ブレード３とブレード４のパルスの間の持続期間の）パルス間隔のグラフを示す。このグラフは約５．０５ミリ秒の平均時間間隔を示しているが、約±０．０２ミリ秒の変動も示している。全てのブレードの５５０番目と５７５番目の回転サイクルの間の変動を見ると、同じ変動（パルス期間の一時的な低下とそれに続く上昇）が５つのブレード全てに影響していることがわかり、これが流れ様式の変動によって発生したものであることを示している。
【００７６】
図１４は、タービン流量計に対する２相の流れの影響を示すグラフである。各点は、変化する空気の流量が存在する状態での水の流量ｑvに対する測定タービン周波数ｆvの比ｆv／ｑvを示す。ｘ軸に最も近い点は全て水だけ（空気の流れなし）による測定から得たものであり、単一相計器としての流量計の挙動を表す。この比は当然、リットル／分当たり約１．４２パルス／秒で基本的に一定である。しかしながら、水の流量を一定に保持したまま流量計の上流を流れる水に空気を注入すると、比はかなり大きく（水の流れが最低の場合１．４２から１．９６に）変化し、流量計は第２の相（空気）が存在する状態では水の流れについて良好な示度を提供できないことを示している。
【００７７】
しかしながら、特定の１対のブレードに関連するパルス間隔の二乗平均平方根値（ｒｍｓ）の変動τrms（例えば、図１３のいずれか１つのトレースの変動）を測定すると、これは第２の相の流量と共に激しく変化していることがわかる。この変動を図１５でグラフにより表している。各線は各対のブレードについて計算したτrmsの値を示すが、これは図１３の各トレースから計算できる。水の流量を一定に保持したまま注入する空気の流量の値を変えてこれを繰り返す。変動のレベルは第２の相（空気）の流量を明らかに示す。
【００７８】
２相様式における個々の流れの相対的な大きさを決定するために、まず流量計の対象となる１次流体の単一相の流れの範囲における無調整センサ信号全体の測定により、流量計を較正しなければならない。そして、１次流体の流量を一定に保持しつつ２次流体の流量を対象範囲全体にわたって変化させて処理手順を繰り返さなければならない。図１４および図１６は、２相の流れの下でのこうした較正の例であり、２相の流れの条件下でタービン流量計を較正するための１次信号ｆvと、同じ条件下の追加信号τrmsとの挙動を表す。
【００７９】
可変面積形流量計の場合、４つの変数（水の流れ、空気の流れ、１次信号、および追加信号）は非直線的である。この場合も、多層ニューラルネットワークは非直線データを適合させ、観察可能なデータを処理して１次および２次の両方の相の流量について良好な測定値を得るシステムを生成する方法を提供することができる。
【００８０】
ニューラルネットワークをトレーニングするために、同じ２相の流れの条件下でタービンデータの２つの別個の集合を収集しなければならない。トレーニングおよび試験を行った後のニューラルネットワークの出力を図１７に示す。トレーニングと試験のデータ点が一致していることは測定の反復性が良好であることを示している。点が一致しない箇所は再現性の尺度であり、おそらくは、試験装置中の流れ様式の不安定性により生じたものであり、かつ、平均およびｒｍｓ信号値を推定するのに十分な時間をかけなかったために生じたものである。
【００８１】
さらに、グループ２には、高周波の音波を使用してパイプ内を流れる流体の速度を決定する超音波形流量計も含まれる。超音波形流量計には２つの基本的な種類があり、１つは流体の速度によって反射音波の周波数が変化するドップラー効果を使用するものであり、もう１つは流体の流れに逆らって伝播する場合と流体の流れと共に伝播する場合との音波の時間差を使用するものである。
【００８２】
ドップラー効果形流量計は、流体の流れと共に移動する小さな粒子または気泡といったような音響反射材料の存在を必要とする。流れのない条件では、パイプに伝わる超音波と流体からの反射との周波数は同じである。流れのある条件では、反射波の周波数はドップラー効果によって変化する。流体の移動速度が速くなると、ドップラー周波数シフトは流体速度と共に直線的に増大する。電子発信器は、伝達波の信号とその反射波の信号とを処理して流量を決定する。
【００８３】
走行時間超音波形流量計は、パイプ内の上流および下流の両方の方向の変換器間の超音波を送受信する。流れのない条件では、変換器間で上流および下流に伝播するのにかかる時間は同じである。流れのある条件では、上流方向の音波は、（より速い）下流方向の音波よりゆっくり伝播し、より多くの時間がかかる。流体の移動速度が速くなると、上流と下流との間の時間差τは流体速度と共に直線的に増大する。電子発信器は、上流と下流の時間を処理して流量を決定する。
【００８４】
どちらの種類の超音波流量計も、流体が均質であるという想定に依存している。音響特性の異なる第２の相が導入されるや否や、未処理のセンサ信号の振幅および周波数の両方の領域の変化が生じる。こうした変化を使用して第２の相の存在を決定し相対流量を測定すればよい。より詳しくいえば、ドップラー周波数の変動は第２の相の存在を示し、変動の度合の尺度は２つの相の相対的な流量を示す。走行時間超音波形流量計は、２相の流れが存在する状態でタービン形流量計が示す特性変化の多くを呈示し、上流と下流との走行時間の間のパルス間隔の二乗平均平方根値（ｒｍｓ）の変動τrmsは第２の相の流量と共に激しく変化する。さらに、どちらの種類の超音波流量計の場合も、第２の相の存在は液体の音響特性に対する制動作用を有するので、センサ信号の振幅が変化する。
【００８５】
グループ３の流量計への適用
コリオリ形流量計がグループ３の主要な形式である。１次変換器の設計には多くの変形があるが、最も単純なものは、両端を堅固に固定し、管の固有周波数で共振するように中央で電磁的に駆動される直管である。また一方で、様々な設計の曲管変換器も存在する。
【００８６】
上記のコリオリ形流量計の動作原理は、コリオリ効果または流体ストリームのコリオリ加速度による角運動量の保存である。コリオリ形質量流量計中の１次変換器を形成する管の多くの様々な構成が、チューブを励振しその運動を感知する代替方法と共に開発され商業的に利用されているが、近年は１次変換器として直管を使用することが開発の主眼となっている。各々の端を堅固に固定した直管の中央で軸に垂直な励振力を印加して直管を振動させると、管を通して流れる流体のコリオリ加速度は、印加された駆動力のいずれかの側の反対方向の管に作用する力を発生させる。振動の前半の半サイクルの間、管の前半分の変位は減速し、管の後半分の変位は加速する。このため、駆動力の印加点と管の２つの固定端との間の中間に配置したセンサの信号の位相のシフトが生じる。振動の後半の半サイクルの間、管の前半分の変位は加速し、管の後半分の変位は減速する。このため、２つのセンサの信号の間の位相差の逆転が生じる。この位相シフトの大きさは質量流量の関数であり、共振の周波数は流動流体の密度の関数である。
【００８７】
第２の相の存在を検出し測定する手段を提供するような少なくとも３つの方法が存在する。第１に、駆動周波数の変動は、気体の百分率（第２の相）が増大するに連れて激しく増大するので、これを使用して第２の相を測定してもよい。第２に、２つのセンサ信号の間の位相差は、液体の質量流量を測定するために使用される基本量であるが、気体の百分率が増大するに連れて激しく増大する変動も示すので、これを使用して気体の百分率を測定してもよい。
【００８８】
最後に、管の共振を維持するために必要な駆動力は、液化ガスの流れの中に存在するガスの百分率と共に増大する空気とガスの混合物の中の粘性損失に直接影響される。ガスの百分率が増大するにつれて、センサ信号の所定の振幅を得るために必要な駆動力は増大する。実際の適用業務では、機械的励振の振幅による疲労応力といったような様々な制約や、固有の電気的安全性に対する要求を満たすために必要な電力の制限によって駆動力を制限しなければならないことがある。しかしながら、センサ信号に対する駆動力の比を使用してガスの百分率を決定してもよい。
【００８９】
図３０〜図３８は、２相の流れ条件下（空気を含む水）でコリオリ形流量計によってなされた測定を示すものである。図３０は、水の質量流量を一定に保持しつつ流量計が機能し得る最大の空気の百分率までの６段階の空気を流量計の上流に注入した一連の運転からコリオリ形流量計が表示した質量流量を示す。これを１９６〜２９５リットル／分の間の６つの異なる水の流量について繰り返した。表示された示度は小さな誤差を示している。
【００９０】
図３１は、駆動周波数から導出され、流量計によって測定された混合物の密度を示す。これは、流量計が混合物の平均密度を測定した場合は直線になるので、密度の変化から空気の流れの正しい値を推論することはできない。しかしながら、管内の気泡の寸法と位置の無作為性によって発振管の共振周波数が変動するので、駆動周波数の値もサンプリングし、周波数値の標準偏差（σｆrms）を計算した場合（これは平均周波数の二乗平均平方根値の偏差と同じである）、二乗平均平方根値（ｒｍｓ）の周波数変動は空気の百分率（標準偏差）と共にほぼ直線的に変化することがわかる。注入した空気の百分率に対するσｆrmsの変化を図３３でグラフ化している。較正処理手順は、σｆrmsを使用して空気の百分率を測定し、測定された液体の質量流量の誤差を訂正することを可能にする。
【００９１】
同様に、センサ信号間の位相差の変動をサンプリングしてもよく、較正後の空気の百分率の測定を可能にするその標準偏差を図３４に示す。
【００９２】
駆動電力、センサ電力（振幅の平方）、およびセンサ振幅に対する駆動電力の比のデータサンプルは全て実験の際に収集し、図３５〜図３７で、平均値を空気の百分率に対してグラフに表している。この比は空気の百分率のみならず圧力と共に変化する。次の〔数８〕に示す量を参照されたい。
【００９３】
【数８】
2006500557.tif 000009
【００９４】
上記の〔数８〕の量を図３８のようにグラフに表すと、空気の体積百分率を表す１本の曲線が得られる。この場合も、２相の流れ条件下で正しい液体と気体の流量を得るため、２つの流量がデータから直接得られるように較正処理手順を実行しなければならない。
【００９５】
グループ４の流量計への適用
グループ４は電磁形流量計を対象とするが、これは、１次相が液体で少なくともわずかに導電性である流体の流れに対してだけ満足に機能し、１次流体が気体の場合は全く機能しないという欠点を有する。しかしながら、実験室での試験が示したところによれば、従来の磁界の変調を定常状態の励振によって置き換えれば、単一相（導電性）の液体の流れに気体相を導入することによって電極信号の電力と周波数スペクトルに明確な変化が現れるので、この変化を流れにおける第２の相の存在および大きさと相関させればよい。
【００９６】
標準動作モードでは、この種の流量計の磁界は約１２Ｈｚといったような比較的低い周波数で変調されるので、流動流体と金属電極との間の界面で発生する電気化学的効果および他のスプリアス効果が除去できるということを認識するのは重要である。これを実現するために、信号処理回路は信号の低周波数および非常に低レベルの成分を除去するが、第２の相の流れの存在による変化の検出はこうした成分に依存している。
【００９７】
したがって、（導電性）流体における２相の流れの発生または存在を検出する処理手順を適用するためには、大部分の時間は標準モードで動作するが、必要に応じて、または所定の間隔で、電磁石の変調を中止し電磁石の定常状態励振によって置き換え、その一方で、例えば３２秒といったような短い期間について電極からデータを収集した後、前述のようにして分析するように、従来の電磁形流量計の動作モードを修正する必要がある。
【００９８】
この処理手順は信号調整回路にだけ影響し、流管の設計、構造または固有の安全事項には影響しないことに注意されたい。
【００９９】
図１９〜図２５は、液体の流れに注入される空気の百分率が増大する際の増幅後の電磁流量計の無調整センサ信号のノイズ変動の時間的なグラフを示す。データを収集するために使用された流れ装置は図１に示したものと基本的に同じである。図１８に示すように、変更された部分は空気注入点（１５）と試験対象の流量計（１７）との間の部分だけである。以前に説明したように、供給源から制御された流量で引き込んだ水を所定の長さの直線形パイプ（９）を介して空気注入点（１５）に供給し、そこでやはり以前に説明したように制御された流量で供給された空気の流れ（１０）と混合する。空気注入点から、パイプの直径の約４０倍の所定の長さの直線形パイプ（１６）を介して、試験対象の流量計（１７）からパイプの直径の約３倍分上流に配置された流れ調整装置（２０）に流体を送り込む。流量計の先では、十分な長さのパイプ（１８）を介してリザーバに流動流体を供給し、試験対象の流量計の動作に有害な影響を与えるのを避けるようにしている。
【０１００】
図２６は、水の中の空気の割合が増大するにつれて二乗平均ノイズ電力が安定して増大することを示す。このノイズを直接使用して空気の百分率を測定すればよい。ここでは、図１９〜図２５の時間的なグラフに添付して、ノイズ信号データのＦＦＴを行うことによって得られたノイズ電力スペクトルのグラフを示す。
【０１０１】
より再現性の高い結果を得るために、２相混合物は流量計に入る前に混合機を通しておくことが有利である。この目的で、図１８に示すように、ローズ流れ調整装置が流量計の流れループの上流に含まれている。代替的なアプローチは、図２７に示すように流量計の上流に渦発生器を含めることであるが、図２７は、流れ調整装置が削除され空気注入点（１５）の出口に隣接して渦発生器（２１）が挿入されていること以外は基本的に図１８と同じである。このような構成は、２相の空気を含む水の流れに対して全ての空気をパイプの中心に沿った渦を巻く螺旋流れの中に集中させる作用を有するので、流量計のセンサ電極の近くは水だけが流れるようになる。図２６と図２９とを比較することからわかるように、センサ電極が拾うノイズ変動の振幅は、螺旋流れの場合の方が、空気がパイプ全体にわたって均一に分散しているときより大きく、渦がない場合の１．８ボルト2（Ｖ2）と比較して渦がある場合の電力は５．８ボルト2である。渦がある場合に生成されたノイズ信号の電力スペクトルを図２８でグラフに表しているが、非常に滑らかである。ノイズ電力が大きくなることは、分析が他のノイズ発生源の影響を受け難くなるという利点を有する。
【０１０２】
平均値付近のセンサ信号のノイズ変動の二乗平均信号電力Ｐmsは、次の〔数９〕に示す数式によって算出される。
【０１０３】
【数９】
2006500557.tif 000010
【０１０４】
ただし、Ｎは、サンプル差圧信号の値ｘ（ｎ）の数である。
【０１０５】
上記で説明した全ての例で、１次相の中の２次流体相の存在が（１次センサの無調整信号である）流れ測定信号の特徴の変化を引き起こすことがわかった。すなわち、例えば、一定の流量で流れる水に空気を導入することによって１次センサ信号の特徴に変化が生じる。可変面積形流量計の場合、それは差圧の変化であり、タービン形流量計の場合、それは流れの平均速度増大の指標となるセンサ信号の周波数の変化である。さらに、１次信号中の二乗平均平方根値（ｒｍｓ）の変動も増大し、この変化は、従来冗長なものであるとみなされてきたが、２相の流れにおける相の百分率に関する重要な情報を提供する。流量計のセンサ信号を分析し操作することによって、液体の中の気体における各相の相対的な大きさが決定され得る。
【０１０６】
本発明の方法は、上記で示した以外の流れ様式に適用してもよく、したがって、液体が不混和性である液体を含む液体の流れ様式、固体を含む液体または気体、および３相の流れ様式に適用してもよいと考えられる。こうした流れ様式の特定の例としては、蒸気を主要な熱エネルギー源とするプラントへの蒸気の流れがある。この場合、蒸気の品質または湿り度の百分率は、プラントの状態と総合性能に影響を与えるために極めて重要である。
【０１０７】
換言すれば、本発明は、流れの状態の指標、すなわち、単一相または２相のどちらが存在するかの指標を提供するために、無調整センサ信号全体の「ノイズ」成分を分析することによって流体の流れを特徴付け、一方または両方の相の流量を測定する方法を提供する。本発明は、「ノイズ」、すなわち、センサ信号中の小さな低レベルの変動を廃棄しようとするような流れ測定における従来のアプローチから明確に脱却したことを示しており、本出願人は「ノイズ」に含まれる情報が持つ重要性を理解した。
【０１０８】
１次センサが所定の種類の測定信号（例えば、差圧、または周波数、または期間の示度（表１参照））を生成する流量計では、同じ方法を適用して小さな変動から付加的情報を抽出または回復してもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】ポンプで水の制御流れを発生させ、そこに空気を注入して２相の流れを形成することができるような試験流れ装置を示す図であって、両方の単一相の流れは、混合前に測定し、混合後にも試験対象の流量計によって測定するようになっている図である。
【図２】可変面積形（ギルフロー（登録商標））流量計の概略図である。
【図３】Ｖコーン（登録商標）形流量計の概略図である。
【図４】蒸気に対する水の質量百分率の関数として、湿り蒸気条件下でのギルフロー（登録商標）流量計の差圧信号の二乗平均変動を示すグラフである。
【図５】蒸気に対する水の質量百分率の関数として、湿り蒸気条件下でのギルフロー（登録商標）流量計の平均差圧信号を示すグラフである。
【図６】湿り蒸気条件下でのギルフロー（登録商標）流量計の差圧信号の標準偏差が蒸気に対する水の質量百分率と共に急激に増大する様子を示すグラフである。
【図７】乾き度３％（蒸気の品質９７％）の湿り蒸気についてのギルフロー（登録商標）流量計の時間領域信号とその周波数スペクトルを示す図である。
【図８】乾き度５．９５％（蒸気の品質９４．０５％）での図７と同様の図である。
【図９】乾き度１１．３％（蒸気の品質８８．７％）での図７と同様の図である。
【図１０】乾き度１６．９５％（蒸気の品質８３．０５％）での図７と同様の図である。
【図１１】乾き度２２．６％（蒸気の品質７７．４％）での図７と同様の図である。
【図１２】タービン形流量計の基本周波数信号対単一相の液体の流量のグラフである。
【図１３】２”５枚羽根タービン形流量計の連続ブレード通過時間の変動を示す図である。
【図１４】様々な第２の相（空気）の流れが存在する状態で、タービン形流量計の周波数較正係数（液体流量に対する周波数の比）が変化する様子を示すグラフである。
【図１５】２”５枚羽根タービン形流量計の連続交差期間の標準偏差が第２の相（空気）の流量と共に増大する様子を示すグラフである。
【図１６】様々な水の流量についての羽根通過期間の標準偏差τrmsが第２の相（空気）の流量に応じて変化する様子を示すグラフである。
【図１７】ニューラルネットワークの出力のグラフである。
【図１８】電磁形流量計の直前に流れ調整装置を配置することによって、電磁形流量計を通る２相の流れを較正するための流れループの概略図である。
【図１９】電磁形流量計の上流に流れ調整装置があり、空気の流れが０リットル／分の場合の時間および周波数領域の電磁形流量計信号を示す図である。
【図２０】空気の流れが５リットル／分の場合の図１９と同様の図である。
【図２１】空気の流れが１０リットル／分の場合の図１９と同様の図である。
【図２２】空気の流れが１５リットル／分の場合の図１９と同様の図である。
【図２３】空気の流れが２０リットル／分の場合の図１９と同様の図である。
【図２４】空気の流れが２５リットル／分の場合の図１９と同様の図である。
【図２５】空気の流れが３０リットル／分の場合の図１９と同様の図である。
【図２６】流れ調整装置がある場合の、水中に存在する空気の割合に伴う電磁形流量計信号の交流成分の電力の変化を示すグラフである。
【図２７】電磁形流量計の前に２つの相を混合する渦発生器を配置することによって、電磁形流量計を通る２相の流れを較正するための流れループの概略図である。
【図２８】２相の流れが強い渦を伴う場合の電磁形流量計信号の電力スペクトルを示す図である。
【図２９】渦流れを伴う場合の水中に含まれる空気の割合に対する電磁形流量計信号の交流成分の信号電力のグラフである。
【図３０】様々な水の流量についての水中に含まれる空気の百分率に対する、単一相コリオリ形流量計によって測定した質量流量のグラフである。
【図３１】測定された混合物密度のグラフを示す場合の図３０と同様の図である。
【図３２】測定された体積流量のグラフを示す場合の図３０と同様の図である。
【図３３】様々な液体の流量についての水中に含まれる空気の百分率に対する、コリオリ形流量計で測定された周波数値から算出された周波数変動の標準偏差のグラフである。
【図３４】水中に含まれる空気の百分率に対する位相変動の標準偏差のグラフを示す場合の図３３と同様の図である。
【図３５】様々な水の流量についての水中に含まれる空気の百分率に対するコリオリ駆動信号電力のグラフである。
【図３６】様々な水の流量についての水中に含まれる空気の百分率に対するコリオリセンサ信号電力のグラフである。
【図３７】様々な水の流量についての水中に含まれる空気の百分率に対するコリオリ駆動信号対センサ信号の比（ＤｏＳ）のグラフである。
【図３８】ＤｏＳ信号に補正係数を適用した場合の図３７と同様の図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【国際調査報告】
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