ねじれセンサ、その方法及び流体のパラメータを測定するシステム

【課題】流体の１以上のパラメータを感知するねじれセンサ。
【解決手段】ねじれセンサ（１６）は基準部分（１８）に結合されたねじれ部分（２０）を含み、ねじれ部分（２０）は外側へ延出し且つ互いに離間して配置された複数の突出部分を含む。ねじれセンサ（１６）の少なくとも一部は、流体（１２）に浸漬されるように装着可能であり且つねじれ波の伝播が流体（１２）の１以上のパラメータに従属するような影響を受けるようにねじれセンサ（１６）の少なくとも一部に沿って流体（１２）と相互に作用するねじれ波を伝播するように動作可能である。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、一部が流体と接触するように配置されたねじれセンサに沿ってねじれ波エネルギーを伝播することにより流体の１以上のパラメータを測定するために使用されるねじれセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
工業プロセス制御において、流体に帰属する１以上のパラメータを流路、例えば、パイプに沿って判定することが必要になる場合は多い。パラメータは、流体の密度、流体速度、流体レベル、温度、流体相などを含んでもよい。流体と関連するパラメータの検出に使用される周知のセンサは数多く存在する。
【０００３】
流体と関連するパラメータの検出に使用される周知のセンサの１つは、ねじれセンサである。そのような装置において、ねじれセンサは特性を測定する必要がある流体の中に一部浸漬される。一部が流体と接触する状態で保持されたセンサに沿って波エネルギーが誘導される。ねじれセンサを取り囲む流体のパラメータは、ねじれ波の特性、特に波モードの伝播時間に影響を与える。言い換えれば、センサに沿った導波エネルギーと流体との相互作用の結果、センサに沿った導波エネルギーの伝播速度が低下するので、センサが空気中又は真空中に配置されている場合の基準時間に対して起こる波の伝播時間の変化は、センサと接触している流体のパラメータを示す標識になる。特定の状況において、流体の組成、容器の幾何学的構造及びセンサ特性のうち少なくとも１つがわかっている場合、センサに沿って誘導される波エネルギーの伝播時間の測定値は、流体の１つのパラメータを示してもよい。しかし、周知のどのねじれセンサ構造でも、所定の波モードに対して長い伝播時間にわたる１以上のパラメータの測定に改善は見られない。更に、周知のねじれセンサ構造は、異なる種類の流体、特に、単相流体、２相流体混合物及び多相流体混合物の１以上のパラメータの測定には適していない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第４１９３２９１号公報
【特許文献２】米国特許第４８９３４９６号公報
【特許文献３】米国特許第６９１２９１８号公報
【非特許文献１】Z. FAN, M.J.S. LOWE, M. CASTAINGS, C. BACON; "Propagation of Torsional Waves in a Waveguide of Arbitrary Corss-section Immersed in a Fluid"; 17th World Conference on Nondestructive Testing, 25-28 Oct 2008, Shanghai, China;8 Pages
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、上記の欠点及び他の欠点のうち少なくとも１つに対応するような改善されたねじれセンサが依然として必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の例示的な一実施形態では、流体の１以上のパラメータを感知するねじれセンサが開示される。ねじれセンサは基準部分に結合されたねじれ部分を含み、ねじれ部分は外側へ延出し且つ互いに離間して配置された複数の突出部分を含む。ねじれセンサの少なくとも一部は、流体に浸漬されるように装着可能であり且つねじれ波の伝播が流体の１以上のパラメータに従属するような影響を受けるようにねじれセンサの少なくとも一部に沿って流体と相互に作用するねじれ波を伝播するように動作可能である。
【０００７】
本発明の別の例示的な実施形態では、流体の１以上のパラメータを感知する感知システムが開示される。感知システムは基準部分に結合されたねじれ部分を有するねじれセンサを含み、ねじれ部分は外側へ延出し且つ互いに離間して配置された複数の突出部分を含む。励起装置はねじれセンサの中に波エネルギーを励起するように構成される。ねじれセンサの少なくとも一部は、流体に浸漬されるように装着可能であり且つ波エネルギーの伝播が流体の１以上のパラメータに従属するような影響を受けるようにねじれセンサの少なくとも一部に沿って流体と相互に作用する波エネルギーを伝播するように動作可能である。変換器装置は、ねじれセンサに対してねじれ励起を実行し且つねじれ部分からの波エネルギーを検出するように構成される。プロセッサ装置は、変換器装置からの出力に応答して流体の１以上のパラメータを判定するように構成される。
【０００８】
本発明の例示的な一実施形態では、流体の１以上のパラメータを感知するねじれセンサが開示される。ねじれセンサは１以上の切欠きを有する基準部分を含む。
【０００９】
本発明の別の例示的な実施形態では、流体の１以上のパラメータを感知するねじれセンサが開示される。センサは第１の材料を含む基準部分を含む。ねじれ部分は基準部分に結合される。ねじれ部分は外側へ延出し且つ互いに離間して配置された複数の突出部分を含む。ねじれ部分は第１の材料とは異なる第２の材料を含む。
【００１０】
本発明の別の例示的な実施形態では、流体の１以上のパラメータを感知するねじれセンサが開示される。センサは基準部分を含み、基準部分は基準部分を２つ以上の小部分に分割する１以上の切欠きを有する。ねじれ部分は、基準部分に結合され、外側へ延出し且つ互いに離間して配置された複数の突出部分を有する。基準部分及びねじれ部分は同一の材料を含む。
【００１１】
本発明の別の例示的な実施形態では、流体の１以上のパラメータを感知する方法が開示される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
本発明の上記の特徴、態様及び利点並びに他の特徴、態様及び利点は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読むことにより更によく理解されるだろう。図面中、同じ図中符号は一貫して同じ部分を示す。
【図１】図１は、本発明の例示的な一実施形態に係る導管を通って流れる流体の１以上のパラメータを感知する感知システムを示したブロック図である。
【図２】図２は本発明の例示的な一実施形態に係るねじれセンサを示した斜視図である。
【図３】図３は本発明の例示的な一実施形態に係るねじれ部分を示した横断面図である。
【図４】図４は本発明の例示的な一実施形態に係るねじれ部分を示した横断面図である。
【図５】図５は本発明の例示的な一実施形態に係るねじれ部分を示した横断面図である。
【図６】図６は本発明の例示的な一実施形態に係るねじれ部分を示した横断面図である。
【図７】図７は本発明の例示的な一実施形態に係るねじれセンサを示した斜視図である。
【図８】図８は本発明の例示的な一実施形態に係るねじれセンサを示した斜視図である。
【図９】図９は図８の実施形態に係るねじれ部分を示した横断面図である。
【図１０】図１０は本発明の例示的な一実施形態に係るねじれ部分を示した横断面図である。
【図１１】図１１は本発明の例示的な一実施形態に係るねじれ部分を示した横断面図である。
【図１２】図１２は本発明の例示的な一実施形態に係るねじれ部分を示した横断面図である。
【図１３】図１３は本発明の例示的な一実施形態に係るねじれ部分を示した横断面図である。
【図１４】図１４は本発明の例示的な一実施形態に係るねじれ部分を示した横断面図である。
【図１５】図１５は本発明の例示的な一実施形態に係るねじれ部分を示した断面図である。
【図１６】図１６は、本発明の例示的な一実施形態に係るねじれセンサに配設された変換器装置を示した側面図である。
【図１７】図１７は、本発明の例示的な一実施形態に係るねじれセンサの基準部分に巻き付けられた変換器装置を示した断面図である。
【図１８】図１８は、本発明の例示的な一実施形態に係るねじれセンサに沿った伝播波の振幅の変化と時間との関係を示したグラフである。
【図１９】図１９は、本発明の例示的な一実施形態に係る導管の中に配設された２つのねじれセンサを示した断面図である。
【図２０】図２０は、本発明の例示的な一実施形態に係る導管の中に配設されたねじれセンサを示した断面図である。
【図２１】図２１は、本発明の例示的な一実施形態に係る導管の中に配設されたねじれセンサを示した断面図である。
【図２２】図２２は、本発明の例示的な一実施形態に係る導管の中に配設された２つのねじれセンサを示した断面図である。
【図２３】図２３は、本発明の例示的な一実施形態に係る導管の一部分に沿って配設された複数のねじれセンサを示した横断面図である。
【図２４】図２４は、本発明の例示的な一実施形態に係る導管の中に配設されたねじれセンサを示した断面図である。
【図２５】図２５は、本発明の例示的な一実施形態に係る導管の中に配設された２つのねじれセンサを示した断面図である。
【図２６】図２６は本発明の例示的な一実施形態に係るねじれセンサを示した正面図である。
【図２７】図２７は本発明の例示的な一実施形態に係るねじれセンサを示した正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に説明するように、本発明の実施形態は、流体の１以上のパラメータを感知するねじれセンサを開示する。ねじれセンサは、基準部分と、基準部分に結合されたねじれ部分とを含む。ねじれ部分は、外側へ延出し且つ互いに離間して配置された複数の突出部分を含む。ねじれ部分の縦横比は変更されてもよい。縦横比は１：２〜１：７の範囲にあってもよいが、それに限定されない。ねじれセンサの少なくとも一部は、流体に浸漬されるように装着可能であり且つねじれ波の伝播が流体の１以上のパラメータに従属するような影響を受けるようにねじれセンサの少なくとも一部に沿って流体と相互に作用するねじれ波を伝播するように動作可能である。１以上のパラメータは、流体の絶対密度、密度プロファイル、流体レベル、絶対温度、温度プロファイル、絶対粘度、粘度プロファイル、絶対流速、流速プロファイル、絶対流体相分率、流体相分率プロファイル又はそれらの組み合わせを含む。流体は単相流体、２相流体混合物又は多相流体混合物を含んでもよい。特定の一実施形態において、ねじれセンサを取り入れたシステムが開示される。例示されるねじれセンサの構成は、単相流体、２相流体混合物又は多相流体混合物の１以上のパラメータの測定の分解能を大幅に改善する。
【００１４】
図１を参照すると、導管１４を通って流れる流体１２の１以上のパラメータを感知する感知システム１０のブロック図が示される。図示される実施形態及び以下に説明される実施形態において、導管は垂直配置又は水平配置のいずれであってもよい。尚、導管が開示されているが、静止状態の流体及び流動状態の流体の双方に帰属する１以上のパラメータを感知するために流体を収容する任意の装置に感知システム１０が適用可能である。システム１０は、導管１４を通って流れている流体１２に一部が浸漬されるねじれセンサ１６を含む。ねじれセンサ１６は基準部分１８及びねじれ部分２０を含む。特定の一実施形態において、基準部分１８は円筒形基準部分である。流体１２に浸漬されるねじれセンサ１６の部分の長さは変更されてもよい。
【００１５】
感知システム１０は、増幅器２４を介してねじれセンサ１６へせん断波エネルギーを伝達するように構成された波発生器２２を有する励起装置２１を更に含む。変換器装置２６はねじれセンサ１６に対してせん断励起を実行するように構成される。ねじれセンサ１６に沿って伝播する超音波導波は周囲の流体１２の有無及び性質を検出する。ねじれセンサ１６の一部が流体１２に浸漬された場合、波の伝播は流体１２の１以上のパラメータにより影響を受ける。従って、ねじれセンサ１６に沿った波エネルギーの伝播を検出することにより、流体１２の１以上のパラメータを検出可能である。１以上のパラメータは、流体１２の絶対密度、密度プロファイル、流体レベル、絶対温度、温度プロファイル、絶対粘度、粘度プロファイル、絶対流速、流速プロファイル、絶対流体相分率、流体相分率プロファイル又はそれらの組み合わせを含む。流体１２は、単相流体、２相流体混合物又は多相流体混合物を含んでもよい。尚、２相流体混合物又は多相流体混合物は、密度の異なる２つ以上の流体を含んでもよい。例えば、多相流体混合物は油、水及びガスを含んでもよい。励起源及び受信機は、圧電変換器、湾曲圧電変換器、フェイズドアレイ磁歪変換器、レーザー系電磁音響変換器（ＥＭＡＴ）、フェイズドＥＭＡＴ及び膜であってもよい。あらゆる種類の流体へのねじれセンサ１６の適用が考えられる。
【００１６】
図示される実施形態において、変換器装置２６は、ねじれセンサ１６のねじれ部分２０からの波エネルギーを検出するように更に構成される。波エネルギーに対応する変換器装置２６からの出力信号は、デジタルオシロスコープ２８を介してプロセッサ装置３０へ、例えばコンピュータへ送信される。プロセッサ装置３０は、変換器装置２６からの出力信号に応答して流体１２の１以上のパラメータを判定するように構成される。尚、この感知システム１０の構成は例示的な一実施形態であり、本発明の範囲を限定すると解釈されてはならない。本実施形態のねじれセンサ１６は、容器に収容されているか又は導管を通って流れている流体１２に帰属する１以上のパラメータの検出を必要とする任意の用途に適用可能である。典型的な適用例は石油産業、油及びガスなどである。以下に、実施形態を参照してセンサの構造及びセンサの配置の実施例を更に詳細に説明する。
【００１７】
図２を参照すると、ねじれセンサ３２の一実施例の斜視図が示される。ねじれセンサ３２は基準部分３４及びねじれ部分３６を含む。図示される実施形態において、基準部分３４は円筒形基準部分であり且つねじれ部分３６はＸ字形ねじれ部分である。ねじれ部分３６は外側へ延出し且つ互いに離間して配置された複数の突出部分３８を含む。特に、ねじれ部分３６は、ねじれ部分３６の中心部分４０に関して対称に配設された複数の個別の突出部分３８を含む。
【００１８】
先に説明したように、流体媒体の１以上のパラメータを検出するために、ねじれセンサ３２は、周囲に流体媒体が存在することによって起こるねじれ部分３６に沿って伝播する波エネルギーの速度の変化を利用する。せん断波がねじれセンサ３２のねじれ部分３６を通って伝播する間に、ねじれ部分３６の周囲に存在する流体の加速及び減速が起こる。ねじれ部分３６の表面に垂直力が加えられ、この力は周囲の流体に作用する。ねじれ部分３６の周囲の流体の運動は、流体と固体との境界面における速度の垂直速度成分及び周囲の流体の粘性抵抗によって誘起される。その結果、流体はねじれ部分３６の角で捕捉され、波エネルギーの伝播に影響を与える。言い換えれば、波エネルギーの伝播は周囲の流体の慣性によって影響を受ける。伝播波エネルギーの速度を判定することにより、周囲の流体媒体の１以上のパラメータを検出可能である。
【００１９】
図３を参照すると、ねじれ部分４２の一実施例の横断面図が示される。ねじれ部分４２はＸ字形ねじれ部分である。ねじれ部分４２は、中心部分４６から外側へ延出し且つ互いに離間して配置された複数の突出部分４４、４５を含む。複数の突出部分４４、４５は中心部分４６に関して対称に配設される。特定の一実施形態において、２つの突出部分４４の離間距離は３ｍｍ〜５０ｍｍの範囲であってもよい。別の特定の実施形態において、２つの突出部分４５の離間距離は３ｍｍ〜５０ｍｍの範囲であってもよい。更に別の特定の実施形態において、１つの突出部分４４と別の突出部分４５との離間距離は、１ｍｍ〜１７ｍｍの範囲であってもよい。突出部分４４、４５の対向する交差箇所の離間距離は、１ｍｍ〜２０ｍｍの範囲であってもよい。
【００２０】
図４を参照すると、ねじれ部分４８の一実施例の横断面図が示される。ねじれ部分４８はＸ字形ねじれ部分である。ねじれ部分４８は、中心部分５２から外側へ延出し且つ互いに離間して配置された複数の突出部分５０、５１を含む。複数の突出部分５０、５１は中心部分５２に関して非対称に配設される。突出部分５０、５１の離間距離は３ｍｍ〜５０ｍｍの範囲であってもよい。交差箇所５３、５５の離間距離は１ｍｍ〜１７ｍｍの範囲であってもよい。交差箇所５３、５７の離間距離は０．５ｍｍ〜８．５ｍｍの範囲であってもよい。
【００２１】
図５を参照すると、ねじれ部分５４の一実施例の横断面図が示される。ねじれ部分５４はＸ字形ねじれ部分である。ねじれ部分５４は、中心部分５８から外側へ延出し且つ互いに離間して配置された複数の突出部分５６を含む。複数の突出部分５６は中心部分５８に関して対称に配設される。
【００２２】
図６を参照すると、ねじれ部分６０の一実施例の横断面図が示される。ねじれ部分６０はＸ字形ねじれ部分である。ねじれ部分６０は、中心部分６４から外側へ延出し且つ互いに離間して配置された複数の突出部分６２を含む。複数の突出部分６２は中心部分６４に関して非対称に配設される。
【００２３】
図７を参照すると、ねじれセンサ６６の一実施例の斜視図が示される。ねじれセンサ６６は基準部分６８及びねじれ部分７０を含む。図示される実施形態において、基準部分６８は円筒形基準部分であり且つねじれ部分７０はファン形ねじれ部分である。ねじれ部分７０は、外側へ延出する１つの突出部分７２又は外側へ延出し且つ互いに離間して配置された複数の突出部分７２を含む。特に、ねじれ部分７０は、ねじれ部分７０の中心部分７４に関して対称に配設された複数の個別の突出部分７２を含む。
【００２４】
図８を参照すると、ねじれセンサ７６の一実施例の斜視図が示される。ねじれセンサ７６は基準部分７８及びねじれ部分８０を含む。図示される実施形態において、基準部分７８は円筒形基準部分であり且つねじれ部分８０は湾曲ファン形ねじれ部分である。ねじれ部分８０は、外側へ延出する１つの突出部分８２又は外側へ延出し且つ互いに離間して配置された複数の突出部分８２を含む。特に、ねじれ部分８０は、ねじれ部分８０の中心部分８４に関して対称に配設された複数の個別の突出部分８２を含む。
【００２５】
図９を参照すると、ねじれ部分８０の横断面図が示される。ねじれ部分８０は、ねじれ部分８０の中心部分８４に関して対称に配設された複数の個別の突出部分８２を含む。１つの突出部分８２の先端から隣接する突出部分８２の先端までの距離は、３ｍｍ〜５０ｍｍの範囲であってもよい。各突出部分８２の基部は１ｍｍ〜２０ｍｍの範囲の長さを有する。各突出部分８２の先端から隣接する突出部分８２の湾曲部分８１までの距離は、２ｍｍ〜３３ｍｍの範囲であってもよい。
【００２６】
図１０を参照すると、星形ねじれ部分８６の一実施例の横断面図が示される。ねじれ部分８６は、中心部分９０から外側へ延出し且つ互いに離間して配設された複数の突出部分８８、９１、９３を含む。複数の突出部分８８、９１、９３は中心部分９０に関して対称に配設される。一実施形態において、２つの突出部分の先端の離間距離は３ｍｍ〜５０ｍｍの範囲であってもよい。別の特定の実施形態において、２つの突出部分９１の先端の離間距離は１ｍｍ〜１７ｍｍの範囲であってもよい。更に別の特定の実施形態において、１つの突出部分９１の先端と突出部分９３の先端との離間距離は、３ｍｍ〜５０ｍｍの範囲であってもよい。更に別の実施形態において、交差箇所９５、９７の離間距離は０．５ｍｍ〜７ｍｍの範囲であってもよい。別の特定の実施形態において、交差箇所９９、１０１の離間距離は０．６ｍｍ〜８．５ｍｍの範囲であってもよい。
【００２７】
尚、以上説明した実施形態において開示された寸法は値の例であり、本発明の範囲を限定すると解釈されてはならない。
【００２８】
図１１を参照すると、星形ねじれ部分９２の一実施例の横断面図が示される。ねじれ部分９２は、中心部分９６から外側へ延出し且つ互いに離間して配置された複数の突出部分９４を含む。複数の突出部分９４は中心部分９６に関して対称に配設される。
【００２９】
図１２を参照すると、星形ねじれ部分９８の一実施例の横断面図が示される。ねじれ部分９８は、中心部分１０２から外側へ延出し且つ互いに離間して配置された複数の突出部分１００を含む。複数の突出部分１００は中心部分１０２に関して対称に配設される。
【００３０】
図１３を参照すると、星形ねじれ部分１０４の一実施例の横断面図が示される。ねじれ部分１０４は、中心部分１０８から外側へ延出し且つ互いに離間して配置された複数の突出部分１０６を含む。複数の突出部分１０６は中心部分１０８に関して対称に配設される。
【００３１】
図１４を参照すると、ねじれ部分１１０の一実施例の横断面図が示される。ねじれ部分１１０は、外側へ延出し且つ互いに離間して配置された複数の突出部分１１２を含む。
【００３２】
図１５を参照すると、ねじれ部分の一実施例の一部分１１４が示される。
【００３３】
本明細書において種々の形状のねじれ部分が開示されるが、ねじれ部分のそのようなすべての形状の組み合わせも考えられる。
【００３４】
図１６を参照すると、センサ１１１及び変換器装置１１３の構成の一実施例の側面図が示される。図示される実施形態において、センサ１１１は基準部分１１５及びねじれ部分１１７を含む。基準部分１１５は側面に凹部１２１を有する拡張先端部１１９を含む。変換器装置１１３は基準部分１１５の側面凹部１２１に装着される。このような構成は、本明細書において説明される実施形態のいずれにも適用可能である。
【００３５】
図１７を参照すると、基準部分１１５及び変換器装置１１３の１つの構成の側面図が示される。基準部分１１５は拡張先端部１１９を含み且つ変換器装置１１３は拡張先端部１１９に巻き付けられる。
【００３６】
図１８を参照すると、センサのねじれ部分からの波エネルギーを示す出力信号の振幅の変化と時間（秒）との関係を示したグラフが示される。前述のように、変換器装置は、センサのねじれ部分からの波エネルギーを検出するように更に構成される。波エネルギーに対応する変換器からの出力信号は、デジタルオシロスコープを介してプロセッサ装置へ送信される。プロセッサ装置は、変換器装置からの出力信号に応答して流体の１以上のパラメータを判定するように構成される。
【００３７】
ねじれ部分における伝播波の速度は、ねじれセンサの２つの場所で波の到達時間を測定することにより判定される。基準信号１１６はセンサの基準部分とねじれ部分との境界面から送信される信号である。信号１１８はセンサのねじれ部分の一端から送信される信号である。例えば、図２を参照して説明すると、基準信号はセンサ３２の基準部分３４とねじれ部分３６との境界面から送信される信号である。他方の信号はセンサ３２のねじれ部分３６の一端から送信される信号である。図１８において、基準信号１１６のピーク１２０から信号１１８のピーク１２２に至るまでの時間は、「伝播時間」１２４と呼ばれる。伝播波の速度は伝播時間１２４に基づいて計算される。
【００３８】
図１９を参照すると、２つのねじれセンサ１２６、１２８の１つの配置例の断面図が示される。図示される実施形態において、２つのねじれセンサ１２６、１２８は導管１３０内の異なる場所に配設される。センサ１２６は基準部分１３２及びねじれ部分１３４を含む。センサ１２６は導管１３０の壁１３８の１つの面１３６に近接して配設される。センサ１２８は基準部分１４０及びねじれ部分１４２を含む。センサ１２８はセンサ１２６と導管１３０の壁１３８の別の面１４６との間に配設される。特に、センサ１２８は導管１３０の中心軸１４４と壁１３８の別の面１４６との間に配設される。
【００３９】
図示される実施形態において、各センサは、変換器装置がねじれ波エネルギーの発生及び受信の双方に使用されるパルスエコー動作モードで動作する。一方のエコーは対応するセンサの基準部分とねじれ部分との境界面からのねじれ波エネルギーの反射に相当し、他方のエコーは対応するセンサの一端からのねじれ波エネルギーの反射に相当する。本明細書において説明されるすべての実施形態において、各センサは、１つの変換器装置がねじれ波エネルギーの発生に使用され且つ別の変換器装置がねじれ波エネルギーの受信に使用される伝送動作モードで動作してもよい。
【００４０】
特定の一実施形態において、導管１３０を通って２相流体混合物が流れている。例えば、２相流体混合物は油及び水を含む。一方のねじれセンサ１２６は、一方の流体、例えば油の密度を検出するように構成される。他方のねじれセンサ１２８は、他方の流体、例えば水の密度を検出するように構成される。図示される実施形態において、センサ１２６、１２８は導管１３０の同一の場所に配設される。尚、本明細書において説明される実施形態において、センサの数及びセンサの配置場所は本発明の範囲を限定するとみなされてはならない。このセンサ配置は流体混合物の他のパラメータの検出にも適用可能である。また、このセンサ配置は、任意の単相流体、２相流体混合物及び多相流体混合物にも適用可能である。
【００４１】
図２０を参照すると、ねじれセンサ１４８の１つの配置例の断面図が示される。図示される実施形態において、センサ１４８は導管１５０の中に配設される。図示される実施形態において、センサ１４８は、ねじれ部分１５４を複数のねじれ小部分１５６に分割する複数の切欠き１５２を含む。各ねじれ小部分１５６からの波エネルギーは、導管１５０の対応する１つの領域に限定された流体と関連する１以上のパラメータを示す。例えば、１つのねじれ小部分は密度を示してもよく、別のねじれ小部分は相割合を示してもよい。
【００４２】
尚、例示されるセンサ配置は流体の他のパラメータの検出にも適用可能である。例示されるセンサ配置は、任意の単相流体、２相流体混合物及び多相流体混合物にも適用可能である。
【００４３】
図２１を参照すると、ねじれセンサ１５８の１つの配置例の断面図が示される。図示される実施形態において、センサ１５８は導管１６０の直径に沿って延出するように配設される。一実施形態において、ねじれセンサ１５８は単相流体の密度を検出するように構成される。別の実施形態において、ねじれセンサ１５８は２相流体混合物の平均密度を検出するように構成される。更に別の実施形態において、多相流体混合物の各流体相が導管１６０の対応する１つの領域に封じ込められている場合、ねじれセンサ１５８は各流体相の面高さを検出するように構成される。更に別の実施形態において、多相流体混合物の相が導管１６０内で分散されている場合、ねじれセンサ１５８は各流体相の割合を検出するように構成される。例示されるセンサ配置は流体／流体混合物の他のパラメータの検出にも適用可能である。例示されるセンサ配置は、任意の単相流体、２相流体混合物及び多相流体混合物にも適用可能である。
【００４４】
図２２を参照すると、２つのねじれセンサ１６２、１６４の１つの配置例の断面図が示される。センサ１６２、１６４は導管１６６内の異なる場所に配設される。図示される実施形態において、センサ１６２、１６４は、導管１６６内に所定の距離（Ｌ）だけ離間して配置される。特定の一実施形態において、センサ１６２の出力応答時間とセンサ１６４の出力応答時間との相関は、流体の相速度を示してもよい。例えば、センサ１６２の出力応答時間を「ｔ１」で示し且つセンサ１６４の出力応答時間を「ｔ２」で示す場合、流体の相速度は、以下に示す関係により判定される。
【００４５】
【数１】

【００４６】
先に説明した実施形態と同様に、センサの数及びセンサの配置場所は、図示される数及び場所に限定されるとみなされてはならない。このセンサ配置は流体／流体混合物の他のパラメータの検出にも適用可能である。このセンサ配置は、任意の単相流体、２相流体混合物及び多相流体混合物にも適用可能である。
【００４７】
図２３を参照すると、複数のねじれセンサ１６８の１つの配置例の横断面図が示される。図示される実施形態において、複数のねじれセンサ１６８は導管１７０の横断面に沿って互いに離間して配設される。特定の一実施形態において、センサ１６８は２相／多相流体混合物の密度プロファイルを判定するように構成される。別の実施形態において、センサ１６８は２相／多相流体混合物の各流体相の相割合を判定するように構成される。この場合にも、センサの数は本発明の範囲を限定するとみなされてはならない。このセンサ配置は流体混合物の他のパラメータの検出にも適用可能である。このセンサ配置は、任意の単相流体、２相流体混合物及び多相流体混合物にも適用可能である。
【００４８】
図２４を参照すると、ねじれセンサ１７２の１つの配置例の断面図が示される。図示される実施形態において、センサ１７２は導管１７４を横断するように配設される。センサ１７２は、２相／多相流体混合物の各流体相の１以上のパラメータを検出するように構成される。一実施形態において、２相流体混合物が導管１７４を通って流れている場合、第１の時間におけるセンサ１７２の出力応答は一方の流体相の相密度又は相割合を示してもよく、第１の時間より後の第２の時間におけるセンサの別の出力応答は別の流体相の相密度又は相割合を示してもよい。例示されるセンサ配置は流体混合物の他のパラメータの検出にも適用可能である。このセンサ配置は、任意の単相流体、２相流体混合物及び多相流体混合物にも適用可能である。
【００４９】
図２５を参照すると、２つのねじれセンサ１７６、１７８の１つの配置例の断面図が示される。図示される実施形態において、センサ１７６、１７８は導管１８０の同一の場所に配設される。ねじれセンサ１７６は第１の長さを有し、他方のねじれセンサ１７８は第１の長さとは異なる第２の長さを有する。一実施形態において、２相流体混合物が導管１８０を通って流れている場合、一方のセンサ１７６は一方の流体相の密度又は相割合を検出するように構成されてもよく、他方のセンサ１７８は他方の流体相の密度又は相割合を検出するように構成されてもよい。例示されるセンサ配置は流体混合物の他のパラメータの検出にも適用可能である。このセンサ配置は、任意の単相流体、２相流体混合物及び多相流体混合物にも適用可能である。
【００５０】
図２６を参照すると、ねじれセンサ１８２の一実施例の正面図が示される。センサ１８２は、基準部分１８４及びねじれ部分１８６を含む。図示される実施形態において、基準部分１８４は、基準部分１８４を複数の小部分１９０に分割する２つの切欠き又は溝１８８、１８９を含む。基準部分１８４及びねじれ部分１８６は同一の材料を含む。前述のように、流体媒体の１以上のパラメータを検出するために、ねじれセンサ１８２は、センサの周囲の流体媒体が存在することによって起こるねじれ部分１８６に沿って伝播する波エネルギーの速度の変化を利用する。
【００５１】
図示される実施形態において、ねじれ部分１８６及び切欠き１８９を含む基準部分１８４の一部は、流体媒体に浸漬される。前述のように、伝播速度は伝播波の伝播時間に基づいて計算される。尚、一実施形態において、ねじれセンサ１８２に沿ったねじれ波の伝播時間の変化は、流体の１以上のパラメータ、例えば温度の変化に起因する。伝播波の伝播時間は特定の温度に合わせて校正され、流体の１以上のパラメータを判定するために、その校正に基づいて伝播時間は修正される。一方の切欠き１８８は空気にさらされているねじれセンサ１８２の部分に対応する基準領域であり、他方の切欠き１９０は流体に浸漬されているセンサ１８２の部分に対応する基準領域である。別の実施形態において、基準部分１８４に切欠きを形成する代わりに、基準部分１８４及びねじれ部分１８６の双方は異なる材料を含んでもよい。言い換えれば、基準部分１８４は第１の材料を含んでもよく且つねじれ部分１８６は第２の材料を含んでもよい。例示されるセンサ構成は流体混合物の他のパラメータの検出にも適用可能である。このセンサ構成は、任意の単相流体、２相流体混合物及び多相流体混合物にも適用可能である。
【００５２】
図２７を参照すると、ねじれセンサ１９２の一実施例の正面図が示される。センサ１９２は基準部分１９４及びねじれ部分１９６を含む。図示される実施形態において、基準部分１９４は、基準部分１９４を２つの小部分１９６に分割する切欠き又は溝１９５を含む。基準部分１９４及びねじれ部分１９６は同一の材料を含む。
【００５３】
図示される実施形態において、ねじれ部分１９６及び切欠き１９５を含む基準部分１９６の一部は流体媒体に浸漬される。尚、ねじれセンサ１９６に沿ったねじれ波の伝播時間の変化は、流体の１以上のパラメータ、例えば粘度の変化に起因する。図示される実施形態において、伝播波の伝播時間は特定の粘度に合わせて校正され、流体の１以上のパラメータを判定するために、伝播時間はその校正に基づいて修正される。別の実施形態において、基準部分１９４に切欠き１９５を形成する代わりに、基準部分１９４及びねじれ部分１９６の双方は異なる材料を含んでもよい。言い換えれば、基準部分１９４は第１の材料を含んでもよく且つねじれ部分１９６は第２の材料を含んでもよい。
【００５４】
先に実施形態を参照して説明したように、センサの形状は、ねじれ部分を取り囲むようにして存在する流体の中の伝播ねじれ波に抵抗を与える。この抵抗は伝播波の伝播時間の変化を示す。例示されるセンサの形状及び配置は、伝播波に抵抗を与え、伝播時間を増加する。その結果、流体の１つ以上のパラメータを測定するセンサの分解能が向上する。
【００５５】
本発明のある特定の特徴のみを例示し且つ説明したが、当業者には多くの変形及び変更が明らかだろう。従って、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の精神の範囲内に入るそのような変形及び変更のすべてを含むことを意図すると理解されるべきである。
【符号の説明】
【００５６】
１０感知システム
１２流体
１４導管
１６ねじれセンサ
１８基準部分
２０ねじれ部分
２１励起装置
２２波発生器
２４増幅器
２６変換器装置
２８デジタルオシロスコープ
３０プロセッサ装置
３２ねじれセンサ
３４基準部分
３６ねじれ部分
３８突出部分
４０中心部分
４２ねじれ部分
４４複数の突出部分
４５複数の突出部分
４６中心部分
４８ねじれ部分
５０複数の突出部分
５１複数の突出部分
５２中心部分
５３交差箇所
５４ねじれ部分
５５交差箇所
５６複数の突出部分
５８中心部分
６０ねじれ部分
６２複数の突出部分
６４中心部分
６６ねじれセンサ
６８基準部分
７０ねじれ部分
７２１つの突出部分
７４中心部分
７６ねじれセンサ
７８基準部分
８０ねじれ部分
８２１つの突出部分
８４中心部分
８６星形ねじれ部分
８８複数の突出部分
９０中心部分
９１複数の突出部分
９２星形ねじれ部分
９３複数の突出部分
９４複数の突出部分
９５交差箇所
９６中心部分
９７交差箇所
９８星形ねじれ部分
９９交差箇所
１００複数の突出部分
１０１交差箇所
１０２中心部分
１０４星形ねじれ部分
１０６複数の突出部分
１０８中心部分
１１０ねじれ部分
１１１センサ
１１２複数の突出部分
１１３変換器装置
１１４ねじれ部分の一部
１１５基準部分
１１６基準信号
１１７ねじれ部分
１１８信号
１１９拡張先端部分
１２０基準信号のピーク
１２１側面凹部
１２２信号のピーク
１２４伝播時間
１２６ねじれセンサ
１２８ねじれセンサ
１３０導管
１３２基準部分
１３４ねじれ部分
１３６一方の面
１３８壁
１４０基準部分
１４２ねじれ部分
１４４中心軸
１４６別の面
１４８ねじれセンサ
１５０導管
１５２複数の切欠き
１５４ねじれ部分
１５６複数のねじれ小部分
１５８ねじれセンサ
１６０導管
１６２ねじれセンサ
１６４ねじれセンサ
１６６導管
１６８複数のねじれセンサ
１７０導管
１７２ねじれセンサ
１７４導管
１７６ねじれセンサ
１７８ねじれセンサ
１８０導管
１８２ねじれセンサ
１８４基準部分
１８６ねじれ部分
１８８切欠き又は溝
１８９切欠き又は溝
１９０複数の小部分
１９２ねじれセンサ
１９４基準部分
１９５切欠き又は溝
１９６ねじれ部分

【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体（１２）の１以上のパラメータを感知するねじれセンサ（１６）において、
基準部分（１８）と、
前記基準部分（１６）に結合され、外側へ延出し且つ互いに離間して配置された複数の突出部分（３８）を具備するねじれ部分（２０）とを具備し、
前記ねじれ部分（１６）の少なくとも一部は、前記流体（１２）に浸漬されるように装着可能であり且つねじれ波の伝播が前記流体（１２）の前記１以上のパラメータに従属するような影響を受けるように前記ねじれセンサ（１６）の少なくとも一部に沿って前記流体と相互に作用するねじれ波を伝播するように動作可能であるねじれセンサ（１６）。
【請求項２】
前記ねじれセンサ（１６）は、前記流体（１２）の絶対密度、密度プロファイル、流体レベル、絶対温度、温度プロファイル、絶対粘度、粘度プロファイル、絶対流速、流速プロファイル、絶対流体相分率、流体相分率プロファイル又はそれらの組み合わせを含む１以上のパラメータを感知するように構成される請求項１記載のねじれセンサ（１６）。
【請求項３】
前記ねじれ部分（２０）は、中心部分（４０）から外側へ延出し且つ互いに離間して配置された複数の個別の突出部分（３８）を具備する請求項２記載のねじれセンサ（１６）。
【請求項４】
前記ねじれ部分（２０）は、Ｘ字形ねじれ部分、星形ねじれ部分、ファン形ねじれ部分、湾曲ファン形ねじれ部分又はそれらの組み合わせを含む請求項３記載のねじれセンサ（１６）。
【請求項５】
前記ねじれ部分（２０）は１：２〜１：７の縦横比を有する請求項１記載のねじれセンサ（１６）。
【請求項６】
流体（１２）の１以上のパラメータを感知する感知システム（１０）において、
基準部分（１８）と、前記基準部分（１８）に結合され、外側へ延出し且つ互いに離間して配置された複数の突出部分（３８）を具備するねじれ部分（２０）とを具備するねじれセンサ（１６）と、
前記ねじれセンサ（１６）の中にせん断波エネルギーを励起するように構成された励起装置（２１）であって、前記ねじれセンサ（１６）の少なくとも一部は、前記流体（１２）に浸漬されるように装着可能であり且つ前記せん断波エネルギーの伝播が前記流体（１２）の前記１以上のパラメータに従属するような影響を受けるように前記ねじれセンサ（１６）の前記少なくとも一部に沿って前記流体（１２）と相互に作用する前記せん断波エネルギーを伝播するように動作可能である励起装置（２１）と、
前記ねじれセンサ（１６）に対してせん断波励起を実行し且つ前記ねじれ部分（２０）からの波エネルギーを検出するように構成された変換器装置（２６）と、
前記変換器装置（２６）からの出力に応答して前記流体（１２）の１以上のパラメータを判定するように構成されたプロセッサ装置（３０）とを具備する感知システム（１０）。
【請求項７】
流体（１２）の１以上のパラメータを感知するねじれセンサ（１６）において、
１以上の切欠き（１５２）を具備する基準部分（１８）と、
前記基準部分（１８）に結合され、外側へ延出し且つ互いに離間して配置された複数の突出部分（３８）を具備するねじれ部分（２０）とを具備し、
前記ねじれセンサ（１６）の少なくとも一部は、前記流体（１２）に浸漬されるように装着可能であり且つねじれ波の伝播が前記流体（１２）の前記１以上のパラメータに従属するような影響を受けるように前記ねじれセンサ（１６）の前記少なくとも一部に沿って前記流体（１２）と相互に作用するねじれ波を伝播するように動作可能であり、前記ねじれ波の伝播時間（１２４）の変化は、前記流体（１２）の前記１以上のパラメータの変化に起因するねじれセンサ（１６）。
【請求項８】
流体（１２）の１以上のパラメータを感知するねじれセンサ（１６）において、
第１の材料から製造された基準部分（１８）と、
前記基準部分（１８）に結合され、外側へ延出し且つ互いに離間して配置された複数の突出部分（３８）を具備し、且つ前記第１の材料とは異なる第２の材料から製造されたねじれ部分（２０）とを具備し、
前記ねじれセンサ（１６）の少なくとも一部は、前記流体（１２）に浸漬されるように装着可能であり且つねじれ波の伝播が前記流体（１２）の前記１以上のパラメータに従属するような影響を受けるように前記ねじれセンサ（１６）の前記少なくとも一部に沿って前記流体（１２）と相互に作用するねじれ波を伝播するように構成され、前記ねじれセンサ（１６）に沿った前記ねじれ波の伝播時間（１２４）の変化は、前記流体（１２）の前記１以上のパラメータの変化に起因するねじれセンサ（１６）。
【請求項９】
流体（１２）の１以上のパラメータを感知するねじれセンサ（１４８）において、
基準部分を２つ以上の小部分（１５６）に分割する１以上の切欠き（１５２）を具備する基準部分と、
前記基準部分に結合され、外側へ延出し且つ互いに離間して配置された複数の突出部分を具備し、前記基準部分と同一の材料から製造されたねじれ部分（１５４）とを具備し、
前記ねじれセンサ（１４８）の少なくとも一部は、前記流体（１２）に浸漬されるように装着可能であり且つねじれ波の伝播が前記流体（１２）の前記１以上のパラメータに従属するような影響を受けるように前記ねじれセンサ（１４８）の前記少なくとも一部に沿って前記流体（１２）と相互に作用するねじれ波を伝播するように動作可能であり、前記ねじれセンサ（１４８）に沿った前記ねじれ波の伝播時間（１４８）の変化は、前記流体（１２）の前記１以上のパラメータの変化に起因するねじれセンサ（１４８）。
【請求項１０】
流体（１２）の１以上のパラメータを感知する方法において、
基準部分（１８）と、前記基準部分（１８）に結合され、外側へ延出し且つ互いに離間して配置された複数の突出部分（３８）を具備するねじれ部分（２０）とを具備し、且つ一部が前記流体（１２）に浸漬されているねじれセンサ（１６）において、励起装置（２１）を介して波エネルギーを励起し、それにより、前記波エネルギーの伝播が前記流体（１２）の前記１以上のパラメータに従属するような影響を受けるように前記ねじれセンサ（１６）の少なくとも一部に沿って前記流体（１２）と相互に作用する前記波エネルギーを伝播することと、
変換器装置（２６）を介して前記ねじれセンサ（１６）に対してねじれ励起を実行し且つ前記ねじれ部分（２０）からの波エネルギーを検出することと、
前記変換器装置（２６）からの出力に応答して前記流体の前記１以上のパラメータを判定することとから成る方法。

【図１９】