JP2008522319A - 可変オリフィスを備えたプロセス流体流量装置 - Google Patents

Abstract

総合的な流体流量制御を提供するプロセス装置（１０、１００）が提供される。装置（１０、１００）は、流導管（１６、１０４）中に設けられた閉止機構（１２、１０６）を含む。好ましくはアイリス型ダイヤフラムである閉止機構（１２、１０６）は可変性の内径を提供する。装置（１０、１００）は、ダイヤフラムの両側での差圧を感知するための差圧センサ（２０、２２、１２０、１２２）を含む。制御装置（１１２）が差圧の指示を受信し、制御信号をアクチュエータに発すると、そのアクチュエータが閉止機構（１２、１０６）を作動させる。閉止機構（１２、１０６）、差圧センサ（２０、２２、１２０、１２２）及び制御装置（１１２）が一つのプロセス装置（１０、１００）の中で閉ループ流量制御装置を形成する。

Description

発明の背景
本発明は、工業プロセス制御及び計測装置に関する。より具体的には、本発明は、中を通過する流体流を制御する統合型装置に関する。

プロセス変量を遠隔感知又は制御するために、プロセス変量トランスミッタのようなフィールド装置が多数の産業によって使用されている。このような変量は一般に、流体、たとえばスラリー、液体、蒸気、ガス、薬品、パルプ、石油、医薬品、食品及び他の流体処理プラントに関連する。プロセス変量としては、圧力、温度、流量、濁度、密度、濃度、化学的補正及び他の性質を挙げることができる。フィールド装置の他の例は、弁、アクチュエータ、ヒータ及び制御装置を含む。

過去、工業プロセス流体流量制御システムは一般に多数のコンポーネントを必要とした。たとえば、第一のフィールド装置、たとえばプロセス変量流体流量トランスミッタは、流体流中に設けられる流体障害装置、たとえばオリフィス板を有するものであった。その場合、流量トランスミッタは、その流体流量装置をはさんでの圧力差を計測し、その中を通過する流体の質量流量を計算する。そして、流量トランスミッタは、流体流量情報を、制御室に位置するコンピュータであってもよいし、フィールドに取り付けられた別のフィールド装置であってもよいプロセス制御装置に運ぶ。すると、制御装置は、プロセス流体流量トランスミッタから受け取られた流量計測情報及び制御装置に提供される又は他の方法で知らされる既知の流量設定値の両方に対して制御アルゴリズムを適用する。そして、制御装置は流体流量出力を生成し、それがさらに別のフィールド装置、一般には弁に運ばれて、システムを通過する流体流量を、適用される制御アルゴリズムに基づいて変化させる。このような閉ループ流体流量制御システムは当該技術で公知である。

近年、アイリスダイヤフラム制御弁が流量計測とともに使用されて、流体流を規制することができるシステムを提供している。アイリスダイヤフラム制御弁は概念的にカメラの光シャッタに似ている。アイリスは一般に３個以上のフィンガーで構成され、これらのフィンガーが、流動区域中に延び、流動区域を通過する流体流を妨害する。一つのこのようなアイリスダイヤフラム制御弁がスイスのEmile Eggar and Ciesa Pump and Machine Manufacturersによって販売されている。アイリスダイヤフラム制御弁を使用する閉ループ流体流制御システムを提供するために研究が行われてきたが、改善に対する重大な必要性がある。たとえば、流量制御システム中の種々の装置それぞれが、追加コスト及び破損するおそれのあるさらなるプロセス流体シールを必要とする。さらには、流量制御システムで使用される各プロセス装置もまた、設置及び／又はメンテナンスのためのさらなる技術時間を要する。

発明の概要
総合的な流体流量制御を提供するプロセス装置が提供される。装置は、流導管中に設けられた閉止機構を含む。好ましくはアイリス型ダイヤフラムである閉止機構は可変性の内径を提供する。装置は、ダイヤフラムの両側での圧力差を感知するための差圧センサを含む。制御装置が差圧の指示を受信し、制御信号をアクチュエータに発すると、そのアクチュエータが閉止機構を作動させる。閉止機構、差圧センサ及び制御装置が一つのプロセス装置の中で閉ループ流量制御装置を形成する。

好ましい実施態様の詳細な説明
図１及び２Ａは、本発明の実施態様のプロセス流体流量装置のそれぞれ斜視図及び正面図である。装置１０は、その中を流れる流体流量を変化させるためのアクチュエータ、その中を流れる流体流を感知するためのセンサならびに感知した流量信号及び制御アルゴリズムに基づいてアクチュエータ信号を発するための制御装置を含むという点で完全に統合されたプロセス流体流量制御システムである。流体流量計算を簡素化するため、流体制御機構はアイリスダイヤフラム流量弁であることが好ましい。アイリスを形成するために使用されるフィンガーの数が増すにつれ、対応する開口の内形はより円に近くなる。したがって、ひとたび十分な数、たとえば６個のフィンガーが使用されると、装置の流れ特性はオリフィス板のそれを十分に近似する。オリフィス板を通過する流体流は周知であり、オリフィス板に対する流れ特性は周知であり、広く文書に記録されている。しかし、本発明の実施態様は、他のタイプの弁、たとえばフラッパシャッタとで実施することもできる。アイリス型流量弁１２は、流導管１６中に延びる多数（図１では６個）のフィンガー又はブレード１４を含む。ブレード１４が導管１６中に延びる程度が、その中を流れることができる流体の量を制御する。装置１０はまた、弁１２の両側に設けられた電子部品コンパートメント１８及び圧力センサ２０を含む。

電子部品コンパートメント１８は、工業規格プロセス通信プロトコルにしたがってプロセス通信ループ２４に結合し、プロセス通信ループを介して通信するのに適した電子回路を含む。そのようなプロトコルの例は、HART（登録商標）プロトコル及び全デジタルFOUNDATION（商標）Fieldbusプロトコルを含む。しかし、他の適切なプロセス工業規格通信プロトコルを本発明の実施態様にしたがって使用することもできる。好ましくは、プロセス工業規格通信プロトコルは、装置１０に動力を提供することができるものである。したがって、装置１０は、その電力のすべてを、それが通信に使用する同じ導体を介して受け取ることができる。

好ましくは、流体流量制御機構１２は、導管１６と実質的に同軸な可変オリフィスを一般に提供するアイリスダイヤフラム型弁である。同軸オリフィスは、装置１０が、オリフィス板を近似する流れ特性を有することを可能にする。種々のオリフィス板及びノズル板の記述ならびにそれらに関連する計算及び式が、Liptak、BetoのInstrument Engineer’s Handbook: Process Measurement and Analysis, Third Edition, Chilton Book Company (1995)及びMiller、RichardのFlow Measurement Engineering Handbook, Third Edition, McGraw-Hill, Inc. (1996)に記載されている。

図２Ａは、本発明の実施態様のプロセス流体流量制御装置１０の正面図である。図２Ａに示すように、６個のフィンガー１４が装置１０の内側通路１６中に延びている。図２Ａでは、各フィンガーは、実質的に直線的な縁２６を有するように描かれている。フィンガー１４は、金属、ポリマー、プラスチック及びそれらの任意の組み合わせをはじめとする適切な材料から造ることができる。たとえば、比較的低流量のクリーンな用途、たとえばＨＶＡＣ又は自動車用途の場合、フィンガー１４は、不活性かつ潜在的にセルフシール性であるポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）から造ることができる。弁機構１２に対する機械的要求が厳しくなるならば、フィンガー１４は、ＰＴＦＥコートした金属、たとえばステンレス鋼又は他の適切な強化構造から造ることもできる。フィンガー１４がさらに装置１０の流通区域１６中に動くにつれ、フィンガー１４の直線的な縁２６によって画定される開口はますます小さくなる。最後には、フィンガー１４がその最大閉止位置に動くと、装置は弁のように完全に閉じる。オリフィス直径は、事前に選択した閉止レベルの間で、たとえば５％刻みで変化させることもできるし、無段階的に変化させることもできる。閉止レベルが事前に選択される実施態様では、事前に選択される閉止レベルごとの正確なベータ比（ベータ比は以下さらに詳細に説明する）を計測又は計算し、記憶しておくことができる。これは、そのような閉止レベルでの非常に正確な流量計算を可能にするであろう。好ましくは、フィンガーは、顧客選択故障モードが提供されるよう偏向させることができる。たとえば、フィンガーは、装置が故障した場合にフィンガーが流体流を妨害するよう、内側に偏向させることができる。

装置１０を通過する流れを近似するため、流れ制御機構１２をはさんでの差圧が計測される。通常、オリフィス板は、とりわけオリフィス板の内径の関数であるベータ比を特徴とする。したがって、可変オリフィスを提供する本発明の実施態様は当然、変化するベータ比を有する。ベータ比は、装置１０を通過する流量を差圧に基づいて解くために必要である。したがって、本発明のいくつかの実施態様は、変化する内径での既知の流体流量（装置１０に対して外部にある装置から計測）で装置を特性決定又は他の方法で較正することを含む。各内径で、既知の流量を既知の直径と組み合わせて使用して、その直径の場合のベータ比を計算することができる。そして、複数の直径／ベータ比の対を稼働中の使用に備えてルックアップテーブルに記憶することができる。さらには、内径及びベータ比の関数を式によって近似することができるならば、ルックアップテーブルの代わりに式そのものを使用することもできる。変化するベータ比を機構１２の変化する内径により良く適合させるために、本発明の実施態様はまた、ベータ比が正確に推定しやすいよう、縁２６の形状を変化させることを含む。較正はまた、流れがゼロあるという指示を装置に提供することを含み、それが装置を零点調節することを可能にする。さらには、装置は、一定流量の間にオリフィスサイズを変化させることにより、そのスパンをチェックすることができる。この較正に加えて、装置は、定期的に又は要求に応じて、システム診断を実行することができる。たとえば、流量に影響を加え、かつ流量を計測する能力を有することは、装置が、閉止レベルを瞬間的に変化させ、差圧における対応する変化をモニタすることによってチェックを実行することを可能にする。予測された変化が認められないならば、アラーム又は他の適切な指示を提供することができる。

図２Ｂは、本発明の実施態様のプロセス流体流量制御装置３０の正面図である。装置３０は、閉止機構３２をはさんでの差圧の計測を使用して装置中の流体流量を計算するという点で装置１０に似ている。しかし、装置１０とは異なり、装置３０は、それぞれがカーブした面３４を有する多数のフィンガー３６を含む。図２Ｂに示す８個のフィンガー３６の組み合わせは、それらのカーブした面３４をもって、実質的に円形の内径３８を提供する。内径３８の円形性を高めることにより、装置３０は、オリフィス板の流れ特性をより近似する。したがって、オリフィス板に対応する式及び計算は、装置１０の場合よりも装置３０の場合のほうが正確になる。図２Ａに関して先に述べたように、各フィンガー３６は、適切な材料、たとえばＰＴＦＥ又はＰＴＦＥコートした金属から造ることができる。

図３は、本発明の実施態様のプロセス流体流量制御装置の概略図である。装置１００は、その中を通過する内部通路１０４を有する流通部１０２を含む。通路１０４が高圧流を遮断することができるよう、省略可能な高圧遮断弁１０３が設けられている。弁１０３は、手動で作動させることもできるし、アクチュエータ１０８からの適切な作動によって作動させることもできる。遮断弁１０３は装置１００の一部として示されているが、弁１０３は、場合によっては、装置１００から離れたところに設けることもできる。内部通路１０４に隣接して設けられた閉止部１０６が、部分１０４を通過するプロセス流体の量を選択的に制御するように配置されている。閉止機構１０６は、一つ以上の接続１１０を介してアクチュエータドライバ１０８に結合されている。好ましくは、閉止機構１０６は、アイリス型ダイヤフラムであるが、いかなる適切な閉止部材であってもよい。アクチュエータ１０８は、制御装置１１２からライン１１４を介して受信される制御信号に基づいて、閉止機構１０６に対する物理的変位を生じさせて、閉止機構１０６によって適量の管閉止を提供させる。

アクチュエータ１０８としては、限定されるものではないが、電気モータ、適切なギヤ減速装置、空気圧アクチュエータ及び位置エネルギーの供給源、たとえば電気又は圧縮気を、閉止機構１０６を駆動するのに適した物理的変位に変換することができる他の適切な装置をはじめとする適切なタイプの作動機構を挙げることができる。

装置１００はまた、閉止機構１０６をはさんでのプロセス流体の差圧を感知するため、差圧センサを含む。差圧センサは、閉止機構１０６の両側に配置され、差圧セルに結合されたインパルスラインの対で形成されていることができる。しかし、一つの実施態様では、差圧センサは、機構１０６の異なる側に配置された２個の別個の圧力センサ１２０、１２２によって形成される。好ましくは、圧力センサ１２０、１２２は半導体材料で形成されている。これらのタイプの圧力センサは、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第５，６３７，８０２号で教示されている。このような半導体ベースの圧力センサは一般に、半導体センサの部分の撓みとともに変化するキャパシタンスを提供する。撓みは、加えられる圧力に応答する。半導体、特にサファイアの使用が多数の利点を提供する。サファイアは、正しく融着されると二つの結合部分の間に材料界面を有しない単結晶材料の一例である。したがって、得られる構造は非常にに強固である。さらには、半導体ベースのセンサは、きわめて良好なヒステリシス及びきわめて高い周波数応答を有する。半導体ベースの圧力センサに関するさらなる情報は、いずれも本発明の譲受人に譲渡されている米国特許第６，０７９，２７６号、第６，０８２，１９９号、第６，０８９，９０７号、第６，４８５，５８５号及び第６，５２０，０２０号に見いだすことができる。サファイアベースの圧力センサの使用が、図３に示すような、圧力センサそのものがプロセス流体に露出される実施態様で特に有益である。サファイアは非常に耐腐食性である。

計測回路１２４が各圧力センサ１２０、１２２に結合され、圧力センサ１２０、１２２を介して適切な励起信号を駆動して、圧力可変性電気応答の計測値を生成するように適合されている。たとえば、圧力センサ１２０、１２２がキャパシタンスタイプ圧力センサである場合、計測回路１２４は、センサ１２０、１２２を介して適切な信号を駆動してセンサ１２０、１２２の相対キャパシタンスを計測することができる。計測回路１２４は、制御装置１１２に結合され、計測された圧力の指示をライン１２６を介して制御装置１１２に提供する。好ましくは、計測回路１２４は、計測した圧力を数値形態で提供するが、いかなる適切な形態を使用してもよい。

制御装置１１２は、好ましくはマイクロプロセッサであり、アクチュエータ１０８に提供された励起出力信号１１４を、閉止機構１０６をはさんで計測された差圧に関連させるのに適切な制御アルゴリズムを実行することができる。制御アルゴリズムは、比例制御アルゴリズム、微分制御アルゴリズム、積分制御アルゴリズム又はそれらの任意の組み合わせであることができる。

ループ通信モジュール１３０は、制御装置１１２をループ通信端子１３２、１３４に結合する。ループ通信モジュール１３０は、プロセス工業規格通信プロトコルにしたがって、プロセス通信ループ上、端子１３２、１３４を介して通信するように適合されている。この通信は、装置１００がプロセス流体流量設定値をプロセス通信ループから受け取ることを可能にする。さらには、一般には双方向性である通信は、装置１００がその動作又はそのサブコンポーネントの動作に関する情報を報告することを可能にする。装置１００はまた、端子１３２、１３４を介して受け取ったエネルギーで装置１００に動力供給するパワーモジュール１４０を含む。したがって、装置１００は、それが通信する際に介する同じ導体によって動力供給されることができる。しかし、いくつかの実施態様では、パワーモジュール１４０は、通信媒体ではない一つ以上の供給源から動力を受け取ることもできる。したがって、パワーモジュール１４０は、１１０ボルト６０ヘルツ電源又は他の適切な電源に簡単に結合することができる。

本発明の実施態様にしたがって、装置１００は、有利には、その中を通過するプロセス流体の差圧の二次的指示を利用することもできる。たとえば、閉止機構１０６がアイリスダイヤフラム弁であるならば、流体の差圧によってアイリス面に加わる圧力がアイリスフィンガーどうしをわずかに結着させるかもしれない。その結着の程度を差圧に関連させることができる。したがって、アクチュエータ１０８によって閉止機構１０６を作動させるために必要なエネルギーの量が差圧の二次的指示を提供することができる。したがって、電気アクチュエータ機構の逆起電力、すなわち空気圧モータをはさんでの差圧を感知することが、プロセス流体差圧のこの二次的指示を提供するであろう。差圧の二次的指示は、必ずしもセンサを使用する場合ほど正確ではないが、冗長性の追加要素及び／又は装置のための増強された診断を提供する能力を提供することができる。

本発明のもう一つの実施態様にしたがって、装置は、可変オリフィス差圧流量計として働くことができる。したがって、流体流量を制御する代わりに、オリフィス変化を利用して流量をより正しく計測することができる。たとえば、装置は、第一の閉止レベルで作動し、その中を通過する流体流量を感知することができる。感知流体流量が、計測精度が損じられるかもしれない低いしきい値まで低下すると、装置は、閉止レベルを高め、それによって、検出可能な差圧及び流量計測の全体精度を高めることができる。この自動範囲設定は、選択された低及び高しきい値で起こることができる。たとえば、読み値が低又は高ＤＰ計測限界の１０％以内である場合、オリフィス閉止レベルを所望により増減することができる。

好ましい実施態様を参照しながら本発明を説明したが、当業者は、本発明の本質及び範囲を逸することなく、その形態及び詳細に変更を加えることができることを認識するであろう。

本発明の実施態様のプロセス流体流量装置の斜視図である。 本発明の実施態様のプロセス流体流量制御装置の正面図である。 本発明の実施態様のプロセス流体流量制御装置の正面図である。 本発明の実施態様のプロセス流体流量制御装置の概略図である。

Claims (32)

1. 流導管中に設けられ、流導管中で選択的な程度の流体流障害を提供する閉止機構、
   制御信号に基づいて選択的な程度の流体流障害を制御するための、閉止機構に結合されたアクチュエータ、
   流体流障害をはさんでのプロセス流体差圧を感知するために設けられた差圧センサ、
   差圧センサから差圧の指示を得るように設定された、差圧センサに結合された計測回路、
   制御アルゴリズムを実行して差圧の指示に基づいて制御信号を発する、計測回路及びアクチュエータに結合された制御装置、及び
   プロセス工業規格プロトコルにしたがって通信するように適合された、複数のループ端子及び制御装置に結合されたループ通信モジュール
   を含むプロセス流体流量制御装置。
2. 閉止機構がアイリス型ダイヤフラムである、請求項１記載の装置。
3. アイリス型ダイヤフラムが、流導管中に延びることができる複数のフィンガーで構成されている、請求項２記載の装置。
4. 複数のフィンガーがポリテトラフルオロエチレン製である、請求項３記載の装置。
5. 複数のフィンガーがポリテトラフルオロエチレンでコートされた金属製である、請求項３記載の装置。
6. 各フィンガーが、カーブした面を有してカーブした内径を形成する、請求項２記載の装置。
7. アイリス型ダイヤフラムがセルフシール性である、請求項２記載の装置。
8. アクチュエータが電気モータを含む、請求項１記載の装置。
9. 電気モータが、差圧の二次的指示を提供する逆起電力（ｅｍｆ）を発生させる、請求項８記載の装置。
10. アクチュエータが空気圧モータを含む、請求項１記載の装置。
11. 空気圧モータをはさんでの差圧が閉止機構をはさんでのプロセス流体差圧の指示を提供する、請求項１０記載の装置。
12. アクチュエータが手動式アクチュエータを含む、請求項１記載の装置。
13. 制御装置がマイクロプロセッサである、請求項１記載の装置。
14. ベータ比と閉止機構の内径との間の関係を含むメモリをさらに含む、請求項１３記載の装置。
15. 前記関係が数学的関係である、請求項１４記載の装置。
16. 前記関係が、メモリに記憶されたルックアップテーブル中で近似されている、請求項１４記載の装置。
17. 複数の端子に結合され、複数の端子を介して受けられるエネルギーで装置に動力供給するように適合されたパワーモジュールをさらに含む、請求項１記載の装置。
18. 通信する際に介するものと同じ導体を介して全体的に動力供給される、請求項１７記載の装置。
19. 流導管に結合された高圧遮断弁をさらに含む、請求項１記載の装置。
20. 流体流を選択的に妨害するための手段、
    流体流を選択的に妨害するための手段をはさんでのプロセス流体の差圧を感知するための手段、及び
    制御アルゴリズム及び感知した差圧に基づいて流体流を選択的に妨害するための手段を制御するための手段
    を含むプロセス流体流量制御装置。
21. 一つのプロセス装置を使用してプロセス流体流を制御する方法であって、
    アイリスダイヤフラムを通過して流れるプロセス流体の差圧を計測すること、
    選択された流体流量設定値及び計測された差圧に基づいて制御出力を生成すること、及び
    制御出力に基づいてアイリスダイヤフラムを調節すること
    を含む方法。
22. 設定値がプロセス通信ループを介して装置に運ばれる、請求項２１記載の方法。
23. プロセス通信ループから装置に電力を提供することをさらに含む、請求項２２記載の方法。
24. アイリスダイヤフラムを調節することが、あらかじめ選択された閉止レベルの中から選択を行うことを含む、請求項２１記載の方法。
25. アイリスダイヤフラムを調節することが、無段階閉止レベルを選択することを含む、請求項２１記載の方法。
26. プロセス流体流量を計測する方法であって、
    プロセス流体流を可変オリフィスに通すこと、
    可変オリフィスをはさんでのプロセス流体の差圧を計測すること、及び
    計測された流体流量が選択されたしきい値を満たすならば可変オリフィスを調節すること
    を含む方法。
27. 可変オリフィスの調節が自動的に実施される、請求項２６記載の方法。
28. 可変オリフィス及び可変オリフィスをはさんでの差圧を感知するように設けられた差圧センサを有するプロセス流体流量装置の動作を検証する方法であって、
    可変オリフィスが第一の閉止レベルにセットされているとき可変オリフィスをはさんでの第一の差圧を計測すること、
    可変オリフィスを、第一の閉止レベルとは異なる第二の閉止レベルにセットすること、
    第二の閉止レベルにセットされた可変オリフィスをはさんでの第二の差圧を計測すること、及び
    第一の差圧を第二の差圧と比較して検証出力を生成すること
    を含む方法。
29. 流体流が一定であるという指示をプロセス流体流量装置に提供して、第一及び第二の計測された差圧を使用してスパンをチェックできるようにすることをさらに含む、請求項２８記載の方法。
30. プロセス流体流量装置に対して較正チェックを実施する方法であって、
    装置を通過するプロセス流体の流れを止めること、及び
    流れが止められている間にプロセス流体流量装置を零点調節すること
    を含む方法。
31. プロセス流体の流れを止めることが遮断弁を閉じることを含む、請求項３０記載の方法。
32. 遮断弁がプロセス流体流量装置のコンポーネントである、請求項３１記載の方法。

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