JP2010505120A

JP2010505120A - 界面動電圧力／流量センサ

Info

Publication number: JP2010505120A
Application number: JP2009530435A
Authority: JP
Inventors: アンダーソン，ウィリアム・ティー
Original assignee: ローズマウントインコーポレイテッド
Priority date: 2006-09-29
Filing date: 2007-09-28
Publication date: 2010-02-18
Also published as: US20080083622A1; EP2074386A2; WO2008042274A2; CN101517378B; EP2074386B1; US7516658B2; WO2008042274A3; CN101517378A

Abstract

トランスミッタ（１０）は、プロセスパイプ中のプロセス流体の流量を感知する。プロセスパイプ（２０）は、プロセス流体の一次流を運ぶ、その中に配置された流量制限部（２２）を含むことができる。インパルス配管（３０）が、プロセス流体の二次流を流量制限部の上流側から下流側まで運ぶように構成されている。界面動電要素（１２）がインパルス配管（３０）内に配置され、一次流に関する界面動電位を発生させるように構成されている。トランスミッタ（１０）内の計測回路が、界面動電要素（１２）を横切る界面動電位を計測し、界面動電位をプロセスパイプ（２０）中のプロセス流体の流量に関連させるように構成されている。

Description

本発明は一般に工業プロセストランスミッタに関する。より具体的には、本発明は、工業プロセストランスミッタに結合する流量計又は圧力センサに関する。

工業プロセストランスミッタは、工業プロセス設備及び／又は導管に結合し、プロセス変量、たとえば圧力、質量流量、体積流量、温度などを計測するように適合されている。プロセストランスミッタは、プロセス変量の値を示すセンサからの信号を受け、そのプロセス変量の値に対応する信号を通常は２線式ループを介して制御パネルに送る。多くの場合、そのようなトランスミッタは、４〜２０mAの範囲内で変化するエネルギー制限ループ電流を運ぶ２線式ループから電力を引き込む。

流量センサをはさんで圧力降下を生じさせる、主プロセスライン内に配置される多くのプロセス流量センサがある。流量センサをはさんでの圧力差は、流量に相関される。圧力降下を流量に相関させる流量計の例は、オリフィス板及びベンチュリ管を含む。

本発明は、プロセス流体の流量を感知するためのトランスミッタを含む。プロセス配管がプロセス流体の一次流を運び、圧力降下を生じさせるための流量制限部を含む。インパルス配管が、プロセス流体の二次流を流動抵抗器の上流側から下流側まで運ぶように構成されている。界面動電要素がインパルス配管内に配置され、一次流に関する界面動電位を発生させるように構成されている。トランスミッタ内の計測回路が、界面動電要素を横切る界面動電位を計測するように構成されている。

界面動電要素に結合された本発明のプロセス制御トランスミッタの略図である。図１の２−２線から見た界面動電要素の断面図である。界面動電要素に結合された本発明のプロセス制御トランスミッタのもう一つの略図である。界面動電要素に結合された本発明のプロセス制御トランスミッタのもう一つの略図である。発電性界面動電要素を中に含むオリフィス板の正面図である。発電性界面動電要素を中に含むもう一つのオリフィス板の正面図である。発電性界面動電要素を中に含むもう一つのオリフィス板の正面図である。

工業プロセスにおける流量又は圧力を計測するために界面動電要素に結合されたプロセス制御トランスミッタが図１に１０で示されている。プロセス流体が界面動電要素１２を通過して流れるとき、界面動電要素１２は界面動電位を発生させる。一般には２線式プロセス制御トランスミッタであるプロセス制御トランスミッタ１０は、界面動電要素１２を横切る界面動電位を感知し、界面動電位を主プロセスパイプ２０中のプロセス流体の流量又はプロセスパイプ２０中のプロセス流体の圧力に相関させる。

界面動電位とは、毛管又は細孔のようなマイクロチャネルを有する固体に流体を押し通すことによって発生する電位である。イオンを有する流体がマイクロチャネルを通って界面動電要素１２の上流端１１から下流端１３まで移動するとき、マイクロチャネル内面に沿って生じる分子の静電反発力及び引力が、反対の電荷のイオンをマイクロチャネルの一端に蓄積させ、反対の電荷のイオンをマイクロチャネルの他端に蓄積させる。これにより、マイクロチャネルは、イオンの電荷に基づいて流体イオンを効果的に分離する。

流体の荷電イオンが分離され、蓄積するとき、それらのイオンは、流体中、界面動電要素１２の上流端１１及び下流端１３に近接して二つの荷電領域（一方は負、他方は正）を生成する。電極４０、４２のセットが荷電領域に浸漬され、二つの荷電領域の間に生じる電位を効果的に決定する。決定された電位に相関する電流を得ることができる。

界面動電位の値は、界面動電要素１２を通過して移動する流体の流量に相関させることができる。流体の流量は他方で流体の差圧に相関し、その流体の差圧はさらに、主プロセスパイプ２０中のプロセス流体の流量又は主プロセスパイプ２０中のプロセス流体の圧力に相関する。

界面動電要素１２の面積、厚さ及び他の物理的特徴は、計測される界面動電位の大きさを決定する際の要因である。たとえば、界面動電要素１２が、流体流の方向に対して垂直な方向に小さな断面積を有するならば、界面動電要素１２の端部１１、１３の荷電領域もまた小さくなり、より小数の荷電イオン及び比較的小さな電位を生じさせる。

同様に、界面動電要素１２を構築するために使用される材料が、界面動電要素１２を横切って計測される界面動電位の大きさに影響を及ぼすおそれがある。界面動電要素は、マイクロチャネルを有することの他に、非導電性であるべきである。界面動電要素１２の構築の一般的な材料は、酸化ケイ素及び微孔質ガラスを含む。しかし、他の構築材料もまた本発明の範囲内である。

界面動電要素１２は、主プロセスパイプ２０に接続されたインパルス配管３０内で、流量制限部２２の周囲に配置された状態で示されている。インパルス配管３０は、流量制限部２２の上流側２４に入口３２を有し、流量制限部２２の下流側２６に出口３４を有する。流量制限部２２によって生じる圧力降下がプロセス流体の二次流をインパルス配管３０及び界面動電要素１２に押し通す。

一つの構成で、流量制限部２２は、界面動電要素１２を横切って生じる界面動電位に依存して主プロセスパイプ２０内のプロセス流体の流量を加減するために操作することができる弁を含む。しかし、主プロセスパイプ２０の直径よりも小さい直径を有するオリフィス板、堰及びパイプセグメントをはじめとする固定式又は非可動式のインライン流量制限部をプロセス流体の流量を制限するためにパイプに接続してもよい。

プロセス流体は、イオンを含有するタイプの液体又は気体流体、たとえば水及び蒸気であることができる。プロセス流体中のイオンは正荷電カチオン及び負荷電アニオンを含むことができ、プロセス流体は酸性、中性又は塩基性であることができる。

プロセス流体中のカチオンは、界面動電要素１２の上流端１１に近接する荷電領域に蓄積し、プロセス流体中のアニオンは、界面動電要素１２の下流端１３に近接する荷電領域に蓄積して、界面動電位を生じさせる。しかし、インパルス配管３０中の界面動電要素１２の構成を逆にして、アニオンが、界面動電要素１２の上流端１１に近接する荷電領域に蓄積し、カチオンが、界面動電要素１２の下流端１３に近接する荷電領域に蓄積するようにして、同じ界面動電位を生じさせてもよい。

界面動電位は、第一の電極４０を、インパルス配管３０内の、界面動電要素１２の上流端１１に近接する荷電領域に配置し、第二の電極４２を、インパルス配管３０内の、界面動電要素１２の下流端１３に近接する荷電領域に配置することによって計測される。トランスミッタ１０内のアナログ・デジタル（Ａ／Ｄ）変換器６０がワイヤ４６、４８によってそれぞれ第一及び第二の電極４０、４２に結合されている。Ａ／Ｄ変換器６０がアナログ界面動電位計測値をデジタル信号に変換し、そのデジタル信号をワイヤ６２を介して計測回路４４に送信する。

界面動電要素１２を横切る界面動電位を計測し、計測した界面動電位をプロセスパイプ２０中のプロセス流体の流量又は圧力に相関させる計測回路４４は、マイクロプロセッサ５０及びメモリ５２を含む。ひとたび計測回路４４がプロセス変量、たとえばプロセスパイプ２０中のプロセス流体の流量又は圧力の値を決定するならば、トランスミッタ１０は、ワイヤ５９を介して信号をトランスミッタ１０内の入出力（Ｉ／Ｏ）モジュール６４に送信する。

この例では、Ｉ／Ｏモジュール６４は、一般的に２線式プロセス制御ループ５２によって信号をプロセスモニタリング・制御センタ５０に送信する。プロセスモニタリング・制御センタ５０は、たとえば、ネットワークに結合され、工業プロセスに結合された一つ以上のフィールド装置及び／又はトランスミッタと通信するように適合された一つ以上のコンピュータシステムを備えた制御室であることができる。

トランスミッタ１０は、送信のために２線式プロセス制御ループ５２を使用し、プロセスモニタリング・制御センタ５０からの電力を使用する。たとえば、２線式プロセス制御ループ５２は、４mA通信技術ならびにデジタル通信技術、たとえばHART（登録商標）、Fieldbus、Profibus及び他の通信プロトコル、たとえばワイヤレス通信プロトコルを利用することができる。

トランスミッタ回路４４は、界面動電要素１２を横切る界面動電位をボルト又はアンペアのいずれででも計測することができる。界面動電要素１２を通過するプロセス流体の流れは、プロセストランスミッタ１０の計測回路４４を駆動するのに十分な量の電気を発生させることができる。

図２は、インパルス配管３０の一つの構成を示す。インパルス配管３０の内面は、非導電性材料３６、たとえば非導電性セラミック又はプラスチック材料でコートされることができる。非導電性材料３６は、第一及び第二の電極４０、４２が、金属製インパルス配管３０からの干渉を受けることなく、界面動電要素１２を横切って生じる界面動電位を正確に計測することを可能にする。

工業プロセスパイプ中の流量又は圧力を計測するために界面動電要素に結合されたもう一つのプロセス制御トランスミッタが図３に１００で示されている。本出願を通して、プロセス制御トランスミッタ１０及び１００の同種の構成部品には同じ参照番号を付ける。

プロセス制御トランスミッタ１０と同様に、プロセス制御トランスミッタ１００は、界面動電要素１１２を通過して流れ、界面動電位を発生させるプロセス流体を含む。プロセス制御トランスミッタ１００は、界面動電要素１１２を横切る界面動電位を感知し、その界面動電位を、主プロセスパイプ１２０中のプロセス流体の流量又はプロセスパイプ１２０中のプロセス流体の圧力に相関させる。

界面動電要素１１２は、主プロセスパイプ１２０及び受け器１２１に接続するインパルス配管１３０内に配置された状態で示されている。受け器１２１は通常、主プロセスパイプ１２０よりも低い圧力にあるもう一つのプロセスパイプ又はドレンである。なぜなら受け器１２１は主プロセスパイプ１２０よりも低い圧力にあるため、プロセス流体の二次流がインパルス配管１３０の入口１３２を通過し、界面動電要素１１２を通過し、プロセス配管１３０の出口１３４を通って受け器１２１に入るからである。

界面動電要素１１２は、プロセス流体が通過する多数のマイクロチャネル、たとえば毛管又は細孔を含む。プロセス流体中のカチオンは、界面動電要素１１２の上流端１１１に近接する荷電領域に蓄積し、プロセス流体中のアニオンは、界面動電要素１２の下流端１１３に近接する荷電領域に蓄積して、界面動電位を生じさせる。しかし、インパルス配管１３０中の界面動電要素１１２の構成を逆にして、アニオンが、上流端１１に近接する荷電領域に蓄積し、カチオンが、界面動電要素１１２の下流端１１３に近接する荷電領域に蓄積するようにして、同じ界面動電位を生じさせてもよい。

界面動電位の値は、界面動電要素１１２中のプロセス流体の流量に相関させることができる。プロセスパイプ１２０を通過するプロセス流体の流量又はプロセスパイプ１２０中のプロセス流体の圧力は、トランスミッタ１０に関して記載したように、界面動電要素１１２を横切って感知された界面動電位を相関させることによって計算される。

工業プロセスにおける圧力の流量を計測するために界面動電要素に結合されたもう一つのプロセス制御トランスミッタが図４に２００で示されている。プロセス制御トランスミッタ１０及び１００と同様に、プロセス制御トランスミッタ２００は、計測界面動電要素２１２を通過して流れ、界面動電位を発生させるプロセス流体を含む。プロセス制御トランスミッタ２００は、トランスミッタ１０及び１００に関して記載したように、計測界面動電要素２１２を横切る界面動電位を感知し、その界面動電位を、主プロセスパイプ２２０中のプロセス流体の流量又は主プロセスパイプ２２０中のプロセス流体の圧力に相関させ、電極２４０、２４２が界面動電要素２１２の端部２１１、２１３に近接して配置されている。

界面動電要素２１２は、インパルス配管２３０が流量制限部２２２の周囲に配置された状態で示されている。インパルス配管２３０は、上流の入口２３２及び下流の出口２３４を含み、流量制限部２２２が圧力降下差を生じさせ、その圧力降下差が流体をインパルス配管２３０に通して流すようになっている。しかし、図３に示すような構成もまた一般的である。

トランスミッタ２００は、主プロセスパイプ２２０内の、一般に界面動電要素２１２の上流に配置された発電性界面動電機器２５０によって駆動される。しかし、発電性界面動電機器２５０は、計測界面動電要素２１２の下流又は流量制限部２２２の中に配置されることもできる。

図５〜７を参照すると、発電性界面動電機器２５０は、一般に、プロセス流体がそれを通過して流れることを許す中央の開口２５２を有するオリフィス板であり、オリフィス板２５０の中に一つ以上の発電性界面動電要素２５４が埋め込まれている。発電性界面動電要素２５４は、図５に示すような円環２６０、図６に示すような円弧状部分２６２、２６４又は図７に示すような複数のディスク２６６をはじめとする多数の構成の一つをとることができる。

発電性界面動電要素２５４は、オリフィス板２５０の中に配置されて、前記のように界面動電位及び電流を発生させる。電流及び界面動電位は、計測回路が機能するために必要な電力を供給するためにワイヤ２７４、２７６によって計測回路４４に接続された上流及び下流の電極２７０、２７２によって計測される。

発電性界面動電機器２５０は、通常、プロセス変量を計測するためには利用されず、むしろ、トランスミッタ２００の計測回路４４を駆動するのに十分な電位及び電流を発生させるために利用される。特定の場所、たとえば信号がワイヤレスで制御室に送信される離れた場所では、独立した電源、たとえば界面動電機器２５０が、計測回路４４に電力を提供するのに有用であるかもしれない。

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、形態及び詳細における変更を加えてもよいことを理解するであろう。

Claims

プロセス流体の流量又は圧力を感知するためのトランスミッタであって、
プロセス流体の一次流を運ぶように構成されたプロセスパイプ、
前記パイプ中の流量制限部、
前記プロセス流体の二次流を前記流量制限部の上流側から下流側まで運ぶように構成されたインパルス配管、
前記一次流に関する界面動電位を有する、前記インパルス配管内に配置された界面動電要素、及び
前記プロセス流体の流量又は圧力に関する信号を生成する前記界面動電要素を横切る界面動電位を計測するように構成された計測回路
を含むトランスミッタ。
前記界面動電要素の上流端に近接する第一の電極、
前記界面動電要素の下流端に近接する第二の電極
をさらに含み、前記計測回路が前記第一及び第二の電極に結合して、前記界面動電要素を横切って発生する電圧を計測する、請求項１記載のトランスミッタ。
前記界面動電要素によって発生する前記界面動電位が、前記トランスミッタの前記計測回路を駆動するのに十分な電気を提供する、請求項１記載のトランスミッタ。
前記界面動電要素が複数のマイクロチャネルを含み、前記マイクロチャネルを通過する前記プロセス流体の流れが、前記界面動電要素を横切る界面動電位を発生させ、前記界面動電要素を横切る前記界面動電位が、前記複数のマイクロチャネルを通過する前記流れに関連する、請求項１記載のトランスミッタ。
前記インパルス配管の内面が非導電性ライナを含む、請求項１記載のトランスミッタ。
前記非導電性ライナがセラミック材料又はプラスチック材料を含む、請求項５記載のトランスミッタ。
前記プロセス流体がイオンを含む、請求項１記載のトランスミッタ。
前記流量制限部が弁を含む、請求項１記載のトランスミッタ。
前記計測回路が前記信号をモニタリング・制御センタに送信する、請求項１記載のトランスミッタ。
プロセス流体の一次流を運ぶ主プロセスパイプ中のプロセス流体の流量又は圧力を計測する方法であって、
圧力降下を生じさせるために主プロセスパイプ内に流量制限部を設けること、
プロセス流体の二次流を運ぶインパルス配管を、前記プロセスパイプに対し、前記インパルス配管への入口が前記流量制限部の上流になり、前記インパルス配管の出口が前記流量制限部の下流になるように固定すること、
前記インパルス配管内に配置された界面動電要素に、前記プロセス流体の前記二次流を前記界面動電要素に通して流すことによって界面動電位を発生させること、及び
プロセス制御トランスミッタの計測回路で前記界面動電要素を横切る界面動電位を計測し、前記界面動電位を前記主プロセスパイプ中の流量または前記主プロセスパイプ中の前記プロセス流体の圧力に関連させることにより、前記主プロセスパイプ中の流量または前記主プロセスパイプ中の前記プロセス流体の圧力を決定すること
を含む方法。
第一の電極を、前記インパルス配管内で、前記界面動電要素の上流端に近接して配置すること、及び
第二の電極を、前記インパルス配管内で、前記界面動電要素の下流端に近接して配置し、前記界面動電要素を横切る前記界面動電位を計測するために前記第一及び第二の電極が前記トランスミッタの前記計測回路に結合すること
をさらに含む、請求項１０記載の方法。
前記界面動電要素を横切る前記界面動電位をアナログ・デジタル変換器によってデジタル信号に変換し、前記デジタル信号を前記計測回路に送信することをさらに含む、請求項１０記載の方法。
前記デジタル信号を前記計測回路のマイクロプロセッサ及びメモリに通して処理することをさらに含む、請求項１２記載の方法。
前記信号を前記計測回路から入出力モジュールに送信し、前記入出力モジュールがモニタリング・制御センタとの間で２線式制御ループを介して信号を送受信することをさらに含む、請求項１３記載の方法。
前記インパルス配管の内面を非導電性材料でコートすることをさらに含む、請求項１０記載の方法。
プロセス流体の圧力又は流量を感知するためのトランスミッタであって、
プロセス流体の一次流を運ぶように構成されたプロセスパイプ、
前記プロセスパイプ中の圧力よりも低い圧力を有する受け器、
前記プロセス流体の二次流を前記プロセスパイプから前記受け器まで運ぶように構成されたインパルス配管、
前記一次流に関する界面動電位を有する前記インパルス配管内に配置された界面動電要素、及び
前記プロセス流体の圧力又は流量に関する信号を生成する前記界面動電要素を横切る前記界面動電位を計測するように構成された計測回路
を含むトランスミッタ。
前記界面動電要素の上流端に近接する第一の電極、
前記界面動電要素の下流端に近接する第二の電極
をさらに含み、前記計測回路が前記第一及び第二の電極に結合して、前記界面動電要素を横切って発生する電圧を計測する、請求項１６記載のトランスミッタ。
前記界面動電要素によって発生する前記界面動電位が、前記トランスミッタの前記計測回路を駆動するのに十分な電気を提供する、請求項１７記載のトランスミッタ。
前記界面動電要素が複数のマイクロチャネルを含み、前記マイクロチャネルを通過する前記プロセス流体の流れが、前記界面動電要素を横切る界面動電位を発生させ、前記界面動電要素を横切る前記界面動電位が、前記複数のマイクロチャネルを通過する前記流れに関連する、請求項１６記載のトランスミッタ。
前記インパルス配管の内面が非導電性ライナを含む、請求項１６記載のトランスミッタ。
前記非導電性ライナがセラミック材料又はプラスチック材料を含む、請求項２０記載のトランスミッタ。
前記プロセス流体がイオンを含む、請求項１６記載のトランスミッタ。
前記受け器が、前記プロセスパイプよりも低い圧力を有する受けパイプを含む、請求項１６記載のトランスミッタ。
前記受け器がドレンを含む、請求項１６記載のトランスミッタ。
プロセス流体の流量又は圧力を感知するためのトランスミッタであって、
プロセス流体の一次流を運ぶように構成されたプロセスパイプ、
前記プロセスパイプ内に配置された発電性界面動電機器、
前記パイプ中の流量制限部、
前記プロセス流体の二次流を前記流量制限部の上流側から下流側まで運ぶように構成されたインパルス配管、
前記インパルス配管内に配置され、前記一次流に関する界面動電位を有する計測界面動電要素、及び
前記プロセス流体の流量又は圧力に関する信号を生成する前記界面動電要素を横切る界面動電位を計測するように構成された計測回路
を含み、電力が前記発電性界面動電機器によって前記計測回路に供給されるトランスミッタ。
前記発電性界面動電機器がオリフィス板内に配置されている、請求項２５記載のトランスミッタ。
前記発電性界面動電機器が、前記プロセスパイプ内の、前記計測界面動電要素の上流に配置されている、請求項２５記載のトランスミッタ。
前記発電性界面動電機器が、前記プロセスパイプ内の、前記計測界面動電要素の下流に配置されている、請求項２５記載のトランスミッタ。
前記発電性界面動電機器の両端に近接して配置された第一及び第二の電極をさらに含み、前記計測回路に電力を提供するために前記第一及び第二の電極が前記計測回路に接続される、請求項２５記載のトランスミッタ。