JP2011510326A - 統合型保持環、弁座、およびライナー保護部を備えるフランジレス磁気式流量計 - Google Patents

Abstract

磁気式流量計［１０］は、パイプ部分［１４］と、絶縁ライナー［２６］と、フランジレス保持環［３２、３３］と、ライナー保護部［３１］と、コイル［１５］と、起電力センサ［１６］と、を備える。絶縁ライナー［２６］は、プロセス流路を形成するようにパイプ部分［１４］の内側を被覆する。フランジレス保持環［３２、３３］は、プロセス流路への終端間流体接続部を形成するために、パイプ部分［１４］の終端に配置され、ライナー保護部［３１］は、絶縁ライナー［２６］のための終端密閉部を提供するように、保持環［３２、３３］上に形成される。コイル［１５］は、プロセス流路内に磁場を生成し、起電力センサ［１６］は、プロセス流路を通じて流体流に生成される起電力を検知する。

Description

本発明は、概して、プロセスの測定および制御のためのフィールドデバイスに関する。具体的には、本発明は、フランジレスのプロセスカップリングおよび統合型ライナー保護部を備える磁気式流量計に関する。

フィールドデバイスは、圧力、温度、流速等のプロセスパラメータを測定および制御するように設計された広範囲のプロセス管理デバイスを含む。これらのデバイスは、製造、炭化水素処理、水圧破砕および他の液体炭化水素抽出技法、バルク流体取扱、食品および飲料加工、水および空気の分配、環境制御、ならびに接着剤、樹脂、薄膜および熱可塑性物質の精密製造の用途を含む、多様な業界における広範な有用性を有する。

フィールドデバイスは、プロセスパラメータを測定または検知するように構成される、トランスミッタ、および目標値を達成するために、このようなパラメータを変更または制御するように構成される、コントローラを含む。センサモジュールは、また、温度センサ、圧力変換器、ＰＨセンサ、レベルセンサ、ならびに、追加のプロセス変数およびプロセス流体パラメータを特性化するための様々な他のデバイスを含む。より汎用化されたフィールドデバイスは、圧力／温度トランスミッタ等のマルチセンサトランスミッタ、ならびにセンサおよび制御機能の両方を備える統合型コントローラを含む。これらの汎用デバイスは、いくつかの関連するプロセス圧力、温度、流体レベルおよび流速を測定および調節する、統合型流量制御装置および静圧タンク計測システムを含む。

流量計および関連するトランスミッタは、流体処理において特に重要な役割を果たし、多種多様な技術を採用する。これらとしては、流量を機械的回転の関数として特性化するタービン流量計、流量を圧力の関数として特性化する差圧センサ、流量を熱伝導の関数として特性化する質量流量計、および流量を振動効果の関数として特性化する渦流量計またはコリオリ流量計が挙げられるが、これらに限定されない。

磁気式流量計は、機械的または熱力学的効果ではなく電磁相互作用に基づく、ファラデーの法則から流量を特性化するという点で、他の流量測定技術から区別される。特に、磁気式流量計は、イオンを含有する水等のプロセス液体の伝導性、および磁場領域を通って流れると流体にわたって誘発される起電力に依存する。

磁気式流量計は、「ダーティ」な（侵食性および腐食性の）流体用途において、または、機械的および流れに抵抗をもたらす技術が許容できない圧力低下を発生させる流量条件下において、顕著な利点を提供する。しかしながら、磁気式流量計は、電磁誘導に依存しているため、いくつかの工学設計課題も提示する。これらとしては、電気を絶縁する保護ライナーおよび特殊なフランジカップリング金具に対する必要性が挙げられ、これは、コストを増加させ、耐用年数を減少させる。このように、改善された磁気式流量計の設計が依然として必要とされる。特に、設置時間および保守要件を削減できる改善されたプロセスカップリング構造、ならびに耐用年数を増加できるより耐久性のあるライナー設計に対する必要が存在する。

本発明は、フランジレス磁気式流量計の本体に関する。流量計の本体は、パイプ部分、ライナー、保持環およびライナー保護部を備える。パイプ部分は、流量計の本体を通じて延在し、ライナーは、パイプ部分の内側を被覆して、絶縁されたプロセス流路を形成する。保持環は、プロセス流路への終端間流体接続を形成するために、パイプ部分の終端上に配置される。ライナー保護部は、保持環上に形成され、絶縁ライナーのために終端密閉部を提供する。

統合型のトランスミッタおよびフランジレスプロセスカップリング構造を備える磁気式流量計の側面模式図である。 図１の磁気式流量計の端面模式図である。 図１の磁気式流量計のフランジレスプロセスカップリングおよび統合型ライナー保護部を示す断面模式図である。 図３のフランジレスプロセスカップリングの断面模式図で、プロセス流パイプへの終端間接続を示す。 図３のフランジレスプロセスカップリングの断面模式図で、プロセス流パイプへの代替の終端間接続を示す。

図１は、統合型トランスミッタ１１およびフランジレスプロセスカップリング１２とを装備した磁気式流量計の側面模式図である。磁気式流量計１０は、流量計本体１３と、フランジレスプロセスカップリング１２を経由してプロセス流に結合する、パイプ部分１４と、を備える。トランスミッタ１１は、端子ブロック２２と、電子／ＬＯＩ（ローカルオペレータインターフェース）組立部２３（どちらも隠れ線で図示）と、を備える筐体組立部２１を備える。

流量計本体（または測定器本体）１３は、鋼、アルミニウムもしくは適切な金属合金、またはＰＶＣ（塩化ポリビニル）またはＡＢＳ（アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン）プラスチック等の耐久性ポリマー等、機械的強度を備える耐久性材料から形成される。流量計本体１３は、軸中心線Ｃ_Lに沿ってパイプ部分１４の周囲に同軸上に配向され、コイル１５およびプローブ１６の周囲に概して円筒形の筐体を形成する。

また、流量計本体１３は、トランスミッタ１１のトランスミッタ取付部１７およびプローブ１６を被覆するプローブカバー１８も提供する。図１にはプローブカバー１８は１つだけ示されていることに留意されたい。典型的には、プローブ１６は、パイプ部分１４の各側に１つの、２つのプローブ電極を備え、次の図２に示されるように各々専用のカバーを有する。

パイプ部分１４は、鋼、ステンレス鋼、銅、アルミニウム、または金属合金等の耐久性のある、機械加工可能な材料から製造される。代替の実施形態において、パイプ部分１４は、ＡＢＳ、ＰＶＣまたは耐久性プラスチック等の耐久性ポリマー材料から形成される。

パイプ部分１４（隠れ線で図示）は、磁気式流量計１０を通るプロセス流Ｆにプロセス流路またはプロセス流導管を提供する。一実施形態において、パイプ部分１４は、内径が約８インチ（８″または約２０ｃｍ）である円形のパイプ部分を備える。他の実施形態において、パイプ部分１４の直径は変動する。代替として、パイプ部分１４は、楕円、矩形、または他の非円形の断面を有する。パイプ部分１４には、図２および３を参照して以下に説明されるように、ライナーも提供される。

典型的な実施形態において、フランジレスプロセスカップリング１２は、パイプ部分１４と同一の材料（つまり、実質的に同一の組成である材料）から成る。代替の実施形態において、フランジレスプロセスカップリング１２は、他の金属、他の金属合金、および他の耐久性ポリマー材料を含むが、これらに限定されない、他の材料から製造された追加の構成要素を利用する。

プロセスカップリング１２は、機械加工、溶接、および他の機械工程により、パイプ部分１４に形成されたフランジレス構造である。このように、カップリング構造部１２は、プロセス流路の終端上に配置され、磁気式流量計１０と流体処理システムとの間に終端間または「直管」接続を形成する、フランジレス取付および保持要素を提供する。

フランジレスプロセスカップリング１２、流量計本体１３、およびパイプ部分１４は、典型的に、非磁性材料から形成される。これによって、コイル１５により生成される場の歪みを防止し、かつ、場が、比較的影響を受けずにパイプ部分１４を横断することを可能にする。一部の実施形態において、流量計本体１３は、パイプ部分１４の外側に、磁気的に柔軟な磁束復元構成要素も備え、磁場の強度を増加させ、均一性を改善し、流量計１０の外側の周縁磁場を減少する。

磁気式流量計１０の操作において、イオン水溶液等の伝導性プロセス流体は、プロセス流路を経由してパイプ部分１４を流過する。磁気コイル１５は、パイプ部分の内側に磁場を生成し、伝導流にわたって（つまり、プローブ電極１６およびプロセス流路にわたって）起電力（ＥＭＦ、または電圧）を誘導する。誘導電圧は、流速と磁場強度の関数である。トランスミッタ１１は、コイル１５を作動させるために必要な電流を提供し、プロセス流速を測定またはそうでなければ判定するために、電極１６からの電圧信号を処理する。

トランスミッタ１１の筐体組立部２１は、金属または耐久性プラスチック等の耐久性材料、またはこのような材料の組み合わせから製造される。筐体組立部２１は、端子ブロック２２および電子／ＬＯＩ組立部２３を含む、内部のトランスミッタ構成要素を固定するように、内部のプロセスカップリングを備える。また、筐体組立部２１は、内部のトランスミッタ構成要素も絶縁し、水分および腐食性または爆発性化学物質等の悪環境条件から遮断し、プロセス機械、ツール、落下物、ならびに他の潜在的な危険との接触から保護する。

一部の実施形態において、筐体組立部２１は、筐体組立部２１を密閉し、かつ端子ブロック２２へのアクセス、ならびにいくつかの導管接続部２５を提供するように、取り外し可能な筐体カバー（端子ブロックカバー）２４を備える。これらの実施形態において、筐体組立部２１は、典型的に、筐体組立部２１を密閉し、かつ、電子／ＬＯＩ組立部２３への目視または機械的アクセスを提供するように、トランスミッタ１１の向こう側（図１には図示せず）に取り外し可能な電子／ＬＯＩ（ローカルオペレータインターフェース）カバーも備える。

図１の統合型トランスミッタ実施形態において、トランスミッタ１１は、トランスミッタ取付部１７を経由して、流量計１０に直接取り付けられる。代替の遠隔トランスミッタの実施形態においては、トランスミッタ１１は、流量計本体から１０００フィート（１，０００′または約３００ｍ）まで遠隔に配置され、通常は、流体パイプ、構造支持材、または計器金具等の別の構造に付設される。これらの実施形態において、トランスミッタへの電気接続はケーブル、ワイヤ、制御バスまたは他の電子接続手段を経由して提供され、トランスミッタ取付部１７または磁気式流量計１０上の別の場所で接続される。

端子ブロック２２は、典型的に、耐久性プラスチックまたは他の絶縁材料から作製される端子ブロック本体と、いくつかの伝導端子接続と、を備える。具体的には、端子ブロック１６は、トランスミッタ１１の電源接続と、ループワイヤ、制御バス、またはプロセス制御システムとの他の通信手段へのＩ／Ｏ接続とを提供する。

電子／ＬＯＩ組立部２３は、トランスミッタ１１および磁気式流量計１０を制御するためのコントローラまたはマイクロプロセッサ、プローブ１６からの電圧信号を処理するための信号プロセッサ、コイル１５を作動させるための電流または電圧源、トランスミッタ１１とプロセス制御システムとの間の通信のためのＩ／Ｏ（入力／出力）インターフェース、およびローカルオペレータと通信するためのローカルオペレータインターフェース（ＬＯＩ）を含むが、これらに限定されない、いくつかの様々な回路要素のうちの少なくとも１つを備える。典型的に、電子組立部２３のうちの制御、信号処理およびＩ／Ｏの構成要素は、２つ、３つ、または４つ以上の回路基板の電子スタックに配列されるが、一方で、ＬＯＩ機能は個別のＬＯＩ組立部により実行される。

フィールドデバイス１０とプロセス制御システムとの間の通信は、センサ信号を表す出力と、他のプロセス監視および制御機能を表す入力とを提供する。プロセス通信は、標準のアナログ（４〜２０ｍＡ）プロトコル、ＨＡＲＴ（登録商標）等のアナログとデジタルのハイブリッドプロトコル、Ｆｉｅｌｄｂｕｓ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ（商標）およびＰＲＯＦＩ（登録商標）ＢＵＳ／ＰＲＯＦＩ（登録商標）ＮＥＴ等のデジタル測定および制御プロトコルを含むが、これらに限定されない、多様なプロトコルを利用する。

プロセス通信は、標準のアナログワイヤループ、データバス、および他のデータ通信手段の組み合わせで行われる。一部の実施形態においては、通信は、１４２０ワイヤレスゲートウェイ等のＨＡＲＴ（登録商標）ベースのシステム、または米国ミネソタ州チャンハッセンのＥｍｅｒｓｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔの企業、Ｒｏｓｅｍｏｕｎｔ Ｉｎｃ．から販売される、３０５１Ｓワイヤレス圧力トランスミッタ等のワイヤレスデバイスを含む、赤外線、光学、ＲＦ（無線周波数）および他のワイヤレス通信手段を利用する。ＬＯＩ組立部は、典型的に、視覚的表示と、音声警告と、Ｉ／Ｏインターフェースと同一の機能のうちの一部を提供するが、遠隔アクセスではなくローカル用に適応される、他の要素と、を備える。

図１の構成は、例に過ぎず、磁気式流量計１０およびトランスミッタ１１両方の個々の構成要素は、実施形態により変わることに留意されたい。図１に示されるように、例えば、磁気式流量計１０は、統合型または直接取付型構成のトランスミッタ１１を備える、Ｒｏｓｅｍｏｕｎｔ Ｉｎｃ．の特定の８７００シリーズの磁気式流量計を備える。他の実施形態において、トランスミッタ１１は、上記のように遠隔に取り付けられる。さらなる実施形態において、流量計１０は、異なるＲｏｓｅｍｏｕｎｔ８７００シリーズの磁気流量計、もしくは異なるシリーズ、または異なる販売会社からの磁気式流量計を表す。代替として、流量計１０は、カスタム設計の磁気式流量計を表す。

図２は、磁気式流量計１０の端面模式図である。磁気式流量計１０は、流量計本体１３と、パイプ部分１４と、を備える。流量計本体１３は、コイル１５および電極カバー１８を備えるプローブ電極１６を格納する。パイプ部分１４（斜線で図示）は、保護ライナー２６で内側が被覆され、磁気式流量計１０を通じてプロセス流路（または導管）を形成する。

パイプ部分１４およびプロセス流路（またはプロセス流導管）は、この図で真横から示され、プロセス流体流は紙面に向かって方向付けられ、コイル１５によって提供される磁場Ｂを通過する。図２では、フランジレスプロセスカップリングは示されていない。

コイル１５は、作動電流から磁場を生成するように構成された電磁石である。典型的な実施形態において、コイル１５は、パイプ部分１４内部に可逆ＡＣまたはＤＣ磁場を提供する、いくつかの伝導巻線を備える。一部の実施形態において、コイル１５は、磁場束を増加または変更するように、軟鉄の芯も備える。特に、コイル１５は、およそ約５ガウス（５Ｇ、または０．５ｍＴ）以下である、典型的な背景場よりも大きさが相当に大きい磁場を生成するように、十分な電流が流れるように構成される。

磁場Ｂは、典型的に、パイプ部分１４を横切って配向され、プロセス流に直交する。ファラデーループは、電極１６を横切って形成し、通常は、磁場Ｂを通って流れの方向に直交して配向される。

コイル１５は、パイプ部分１４内部に比較的均一な場を生成するように設計されるが、図２の現場ラインの具体的な構造線は、例に過ぎない。一部の実施形態において、測定器筐体１３は、場の構造を変更するように、磁気的に柔軟な復元またはヨーク構造も備える。これらの要素は、筐体／測定器本体１３内部に磁束復元経路を提供することにより、周縁磁場を低減するが、これは図２では図示されない。

プローブ電極１６は、耐腐食性および耐侵食性の材料から製造される。具体的な組成は、典型的に、プロセス流の特性に基づき、使用年数および信頼性を高めるように選択される。多様な実施形態において、電極１６は、２６６ＳＳＴ等のステンレス鋼、タンタラム、プラチナ、チタン、およびＲｏｓｅｍｏｕｎｔ Ｉｎｃ．もしくは米国インディアナ州ココモのＨａｎｅｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌを含む他の販売会社から販売される、Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ（登録商標）または他の特殊合金を含むが、これらに限定されない、いくつかの金属および金属合金を備える。

プローブ１６は、パイプ部分１４内部の流路にわたる誘導電圧を検知または検出するために、少なくとも２つの電極を備える。典型的に、プローブ電極は、流路の対向側に配置され、パイプ部分１４および絶縁ライナー２６を通じて延在し、プロセス流体と直接的な電気接触を行う。プローブ電極１６は、プロセス流体を通じてファラデーループを完了し、誘電電圧を検知して、磁場Ｂを通過するプロセス流体の流速を特性化する信号を生成する。

保護ライナー２６は、プロセス流体流から流量計１０を絶縁するように、流れパイプ部分１４の内側を被覆する。保護ライナー２６は、パイプ部分１４とプロセス流との間に、電気的、化学的、および機械的障壁を提供する。ライナー２６は、プロセス流との電気接触からパイプ部分１４を絶縁し、かつ、プロセス流体の化学物質または研磨性物質による侵食または腐食から保護する。

一実施形態において、保護ライナー２６は、ポリウレタンまたは別の非磁性の絶縁ポリマーから成り、厚さは約０．１８８インチ（約４．８ｍｍ）である。しかしながら、ライナー２６の組成は、プロセス流体流の特性に応じて変動する。他の実施形態において、保護ライナー２６は、Ｔｅｆｌｏｎ（商標登録）、Ｔｅｆｚｅｌ（登録商標）、ネオプレン、天然ゴム、Ｒｙｔｏｎ（登録商標）ＰＰＳ、またはＲｏｓｅｍｏｕｎｔ Ｉｎｃ．、米国デラウェア州ウィルミントンのＤｕＰｏｎｔ ａｎｄ Ｃｏｍｐａｎｙ、米国テキサス州ウッドランズのＣｈｅｖｒｏｎ Ｐｈｉｌｌｉｐｓ Ｃｈｅｍｉｃａｌ、および他の販売会社から販売される、別の耐久性のある絶縁保護ポリマーから成る。

ライナー２６の厚さも変動する。パイプ部分の直径が２インチから１フィート（２〜１２″、または約５〜３０ｃｍ）の場合、厚さは、約１０分の１インチ以下（０．１０″、または約２．５ｍｍ）から、約４分の１インチ以上（０．２５″、または約６．４ｍｍ）まで変動する。これより小型およびこれより大型の実施形態において、ライナー２６の厚さは、典型的に、パイプ部分１４の直径とともに縮小および拡大するが、縮小および拡大は厳密には比例ではない。

電子組立部２２は、コイル１５を作動させるための電流または電圧源（ＣＳ）と、コイルの電流を制御し、かつプローブ電極１６からの誘導電圧信号を処理するための信号および制御プロセッサ（μＰ）とを備える。図２は、電圧源ＣＳおよびプロセッサμＰを模式的に表し、信号処理および磁気式流量計１０へのコイル電流接続を示す。図２は、図１を参照しながら上記で説明された、電子組立部２２およびトランスミッタ１１の他の要素を含まない。

電流／電圧源ＣＳは、コイルの駆動線コイル−０（Ｃ０）およびコイル−１（Ｃ１）を経由して、コイル１５に作動電流を提供する。コイル１５は、駆動電流に応答して磁場Ｂを生成する。広範な操作範囲で、場の強度は、電流にほぼ比例する。

典型的な実施形態において、２つのコイル１５は、コイル−Ｒ等の帰線接続を経由して、「デイジーチェーン」すなわち直列に接続される。これらの実施形態において、各コイルには同じ電流が流され、場全体の強度にほぼ等しく貢献する。他の実施形態において、コイルの数は異なり、電流／電圧源ＣＳが、各コイル要素に個々の駆動電流接続を提供することもある。

磁気式流量計１０は、プロセス流路を通るプロセス流体の平均粘度または流速に実質的に比例して、電圧信号を生成する。（伝導）流体が、磁場Ｂを通過すると、ファラデーの電磁誘導の法則に従い、プローブ電極１６に電位が誘導される。電子組立部２２は、信号線プローブ０（Ｐ０）およびプローブ１（Ｐ１）を経由して、誘導電圧信号をサンプリングし、信号を処理して流速を測定する。

より具体的には、誘導電位Ｅは、（平均）流速Ｖ、（平均）磁場強度Ｂ、および流パイプの直径Ｄ（典型的には、直径は電極の間隔にほぼ等しい）に比例する。つまり、
E = kBDV ［１］
であり、式中、ｋは、Ｅ、Ｂ、ＤおよびＶの測定単位に基づく、比例定数である。

このように、プロセス流速は、誘導電位、磁場強度、およびプロセス流を横切る直径の関数である。

つまり、（平均）プロセス流速Ｖは、誘導電位信号Ｅに直接的に比例し、かつ、伝導流を横切って測定された（平均）磁場強度Ｂおよび直径Ｄに間接的に比例する。

一部の実施形態において、電子組立部２２は、パルスＤＣ（直流）磁気式流量測定のために構成される。これらの実施形態において、トランスミッタ１１は、信号ノイズを低減するように、コイル電流を変化または変調する。具体的には、電子組立部２２は、コイル１５に供給された作動電流を時間の関数として変調し、低周波数の制御増幅矩形波を生成する。作動電流は、高い値と低い値との間で変化し、誘導電圧は各々で測定（サンプリング）される。流信号（誘導電位Ｅにより特性化される）は、整合矩形波で、振幅は流速Ｖに比例する。

パルスＤＣの測定は、プロセス流体とプローブ電極１６との間の電解反応、コイル１５と外部の電気システムとの間の容量結合、漂遊電圧および電流ループ、ならびにプロセス流体のインピーダンスによる位相変動を含むが、これらに限定されない、いくつかのノイズ源の効果を低減する。ＡＣ変調（交流）システムに比較すると、パルスＤＣシステムは、磁場Ｂ、プロセス流体、およびプローブ電極１６と信号プロセッサμＰとの間の電気接続の間の誘導結合の効果を含む、直交電圧効果も低減する。

パルスＤＣの実施形態は、標準ＡＣ電源線上の変動を含む、ＡＣ電圧および周波数変動を補正する必要性も低減する。信号ノイズは、変調周波数を、ＡＣライン周波数の倍数とし、サンプリング周期を、電源サイクル（またはその整数倍）にほぼ等しくすることにより、さらに低減される。これにより、コイル駆動線および信号線は、比較的距離がある遠隔トランスミッタを設置する場合でも、標準ケーブルを採用し、単一の導管を共有することが可能になる。

図３は、統合型ライナー保護部３１を備えるフランジレスプロセスカップリング１２を示す断面模式図である。フランジレスプロセスカップリング１２は、プロセス流からライナー２６を保護するための統合型ライナー保護部３１と、保持要素（カップリング要素）３２および３３と、遷移部３４と、を備える。図３の具体的な実施形態において、フランジレスプロセスカップリング１２は、パイプ部分１４（斜線で図示）の両終端部に提供されるが、他の多様な実施形態において、カップリング構造部１２は、一方または他方の終端にのみ提供される。

保護ライナー２６は、上記のように、パイプ部分１４のための電気的絶縁層、ならびに化学的および機械的保護障壁を提供する。典型的に、保護ライナー２６は、環状の断面を備える円筒形要素で、パイプ部分１４の内側に適合する。図３に示されるように、例えば、保護ライナー２６は、パイプ部分１４の内径にほぼ等しい外径ＯＤ、およびプロセス流路３５の直径Ｄを画定する内径ＩＤを有する。保護ライナー２６の厚さＴは、内径と外径との差の半分であり、Ｔ＝1/2（ＯＤ−ＩＤ）である。

一実施形態において、ライナー２６は、ポリウレタンから成り、８インチ（３０ｃｍ）のパイプ部分に対応して、約８インチ（８．０００″、または約３０ｃｍ）のＯＤを有し、厚さＴは約０．１８８インチ（０．１８８″、または約４．７８ｍｍ）である。他の実施形態において、ライナー２６の厚さは変動し、上記のように、概してパイプ部分１４の寸法に合わせて拡大縮小する。

統合型ライナー保護部３１は、典型的に、ステンレス鋼、銅、または耐久性金属合金等の耐久性金属から製造される。ライナー保護部３１は、パイプ部分１４および測定器本体１３と同一の理由により、通常は非磁性であり、一部の実施形態において、ライナー保護部３１は、パイプ部分１４と同一の材料から製造される。特に、一部の実施形態では、ライナー保護部３１が、先行設計で実践されたような、圧延鋼材または他の磁性材料から製造されないことが必要である。

ライナー保護部３１、パイプ部分１４ならびに保持要素３２および３３が、同一の材料から形成される実施形態は、ライナー保護部３１およびパイプ部分１４の両方に、同一の磁性および電気化学的特性を提供し、磁場構造の制御を改善し、かつ２つの異なる材料の結合または溶接による電気化学的効果を防止する。

丸いパイプを用いる場合、ライナー保護部３１は、環状構造を有し、フランジレスプロセスカップリング１２で保護ライナー２６の終端に接する。図３に示されるように、ライナー保護部３１は、高圧で高容量の、研磨性および腐食性を持つプロセス流から、ライナー２６を保護するために、ライナー２６の内径に等しい内径ＩＤを有する。

ライナー保護部３１は、ライナー２６に対する終端密閉部を形成し、密閉部は、ライナーと同一の内径を有する。これにより、以下に説明するように、水圧破砕用途に特徴的な高圧かつ高流速でも、プロセス流がライナー２６とパイプ部分１４との間に侵入することを防止する。また、ライナー保護部３１は、測定器本体１４内に保護ライナー２６を機械的に保持し、特に、ライナー保護部３１に接する、または接触するライナー２６の終端で、研磨性および腐食性流に対する機械的保護を提供する。特に、これは、流路を通過する間に、プロセス流（または他の物体）内の粒子が、ライナー保護部３１上に「捕捉される」または影響を与えることを防止する。代わりに、ライナー保護部３１は、終端密閉部で、ライナー保護部３１とライナー２６との間に円滑な流遷移を提供し、性能および耐用年数を向上させる。

典型的に、ライナー保護部３１は、フランジレスプロセスカップリング構造部の終端で、例えば、溶接部３６に沿ってライナー保護部をパイプ部分１４に溶接することによる、機械的付設によりフランジレスプロセスカップリング１２に統合される。ライナー保護部３１の外径Ｓは、パイプ部分１４上にフランジレスプロセスカップリング構造部１２を形成するために使用された具体的な製造方法に応じて、多少変動する。

特に、フライス加工等の一部の製造方法は、ライナー保護部３１の近接部から材料を除去することが必要で、より小さい外径Ｓとなる。他の製造方法は、ライナー保護部３１の近接に材料を追加することが必要で、より大きい外径Ｓとなる。ライナー保護部３１の幅Ｗも、高圧の研磨性および腐食性流で実質的な耐用使用年数を提供するように、ならびに、水圧破砕および他の大規模な用途のためにコスト効率の高い磁気式流量計設計を提供するように、変動する。

一実施形態において、例えば、ライナー保護部３１は、約４分の１インチ（０．２５０″、または約６．３５ｍｍ）の幅Ｗ、約８．４３７インチ（約２１．４ｃｍ）の外径ＯＤ、および約７．６０５″（１９．３ｃｍ）の内径ＩＤを有する。本実施形態において、ライナー保護部３１は、プロセス流の８インチ（８″、または約２０ｃｍ）のパイプ部分に対応する。他の実施形態において、ライナー保護部３１の直径は、概して、ライナー２６の直径と同様に、パイプの大きさに合わせて拡大縮小する。

保持要素３２および３３は、典型的に、パイプ部分１４のフライス加工または表面機械加工により形成される。代替として、これらは、保持環またはガスケット座環等の追加構造をパイプ部分に溶接または他の機械的付設により、形成される。図３に示されるように、例えば、カップリング要素３２は、保持環とガスケット座とを備え、カップリング要素３３は、保持環／ガスケット座の１つの縁部に沿って形成された保持要素を備える。遷移部３４は、フランジレスプロセスカップリング１２を含む、パイプ部分１４と、磁気式流量計１０との間に機械的付設を作成するために、測定器本体１３に隣接して同様に形成される。

図３に示されるように、保持要素３３を備える保持環３２によって、フランジレスプロセスカップリング１２は、終端間の流体接続を形成するための外部カップラーに対応することが可能である。特に、保持環３２は、流パイプ等のプロセス流構造に磁気式流量計１０を機械的に付設する、外部カップラー筐体に対応し、カップリングでの漏れを防止するように、ガスケットに対する圧力および流体の密閉を形成する。終端間またはストレートパイププロセス流体接続は、以下に説明するように、貫通孔固定器具を備える内部ガスケットまたはフランジを必要としない。

フランジレスプロセスカップリングを備える磁気式流量計１０の製作は、いくつかの設計課題を提示する。特に、侵食性および腐食性流は、保護されていないライナーを短時間で破壊できるため、保護ライナー２６上のプロセス流体流の効果は重要である。これは、内蔵（統合型）ライナー保護部の設計および加工、ならびに、ライナー保護部３１と保護ライナー２６との間の密閉隣接部に対応するプロセスカップリング１２の加工を必要とする。

また、保護ライナー２６およびライナー保護部３１は、満足できるフランジレス磁気式流量計カップリングが存在しない、高圧、高流速、および腐食性および研磨性流に耐えるようにも設計される。例えば、液体および気体炭化水素の水圧破砕用途（油およびガス抽出）において、油井圧力は、炭化水素含有層の破砕勾配を上回ることが必要である。これらの圧力を達成するために、フランジレスプロセスカップリング１２は、約１００ｐｓｉ（約０．７ＭＰａ）を超える最低プロセス圧に耐えなければならない。一部の実施形態において、操作圧は約１，０００ｐｓｉ（約７ＭＰａ）を超える。

また、多数のプロセス流体は、炭化水素含有層の一部を溶解するために、塩酸などの腐食性薬品、および水圧誘導破砕を維持するように、砂等の固体研磨プロパントも含む。また、フランジレスカップリング１２は、１分間あたり１００ガロン（１００ｇｐｍ、または約３８０リットル／分）を超える最低速度で、この研磨性または腐食性流に耐えることも必要である。一部の用途において、流速は１，０００ｇｐｍ（約３，８００リットル／分）を超える。

図４は、図１２のフランジレスプロセスカップリング１２の断面模式図で、プロセス流パイプ４１への終端間接続を示す。流体接続は、フランジレスプロセスカップリング構造部１２を結合することにより、パイプ部分１４（斜線で図示）とプロセスパイプ４１との間に外部終端間カップリングを形成する、外部カップラー４２および外部ガスケット４３により形成される。

プロセスパイプ４１（これも斜線で図示）は、パイプ部分１４上のフランジレスカップリング構造１２に類似する、プロセスパイプ４１上のプロセスカップリング構造部４４を経由して、パイプ部分１４への終端間または直管流体接続を形成することが可能なプロセス流構造である。プロセスパイプ４１は、典型的には、鋼、ステンレス鋼、銅、アルミニウム、耐研磨性および耐腐食性金属合金、ＰＶＣまたはＡＢＳプラスチック等の耐久性ポリマー材料、またはこれらの組み合わせから作製される。

プロセスパイプ４１は、プロセスパイプ内径ＰＤを有する。図４の実施形態において、プロセスパイプ内径ＰＤは、保護ライナー２６のライナー内径ＩＤにほぼ対応し、入口効果およびライナーの研磨を低減する。代替の実施形態において、プロセスパイプ内径ＰＤは、プロセスパイプ４１およびパイプ部分１４が、同一の内径を有するように（例えば、図５を参照）、保護ライナー２６の外径ＯＤにほぼ対応する。プロセスパイプ直径ＰＤとライナー内径ＩＤとの関係は、カップリング構成に無関係であり、カップリング構成は、プロセスパイプ、ライナー、パイプ部分の直径の間のいかなる特定の関係にも限定されない。さらなる実施形態において、例えば、プロセスパイプ内径ＰＤおよび保護ライナー２６の外径ＯＤは、互いに対して適宜異なり、カップリング構造部４４は、フランジレスプロセスカップリング１２上のカップリング要素の多様な寸法に適合するように、プロセスパイプ４１の直径を拡張または縮小するためのアダプタ要素を備える。

外部カップラー４２は、鋳鉄、銅、または別の可鍛金属または金属合金、またはステンレス鋼等の剛性金属から成る環状構造である。代替として、外部カップラー４２は、耐久性ポリマー材料から形成される。一部の実施形態において、外部カップラー４２は筐体と称され、他の実施形態において、外部カップラー４２は外部環またはリングと称される。

カップリングガスケット４３は、プロセス流体流からの化学的および研磨的効果に対する可撓性および抵抗性のために選択される、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンジエンモノマー）、ＥＰＤＭゴム、ニトリル、ニトリルゴム等の金属または可撓性ポリマーから成る。一部の実施形態において、カップリングガスケット４３は、図４に示されるように内部カップリングガスケットであり、他の実施形態において、カップリングガスケット４３は、図５に示されるように外部カップリングガスケットである。

カップリングガスケット４３は、典型的に、フランジレスプロセスカップリング１２でパイプ部分１４の終端周辺、および同様なカップリング構造４４でプロセスパイプ４１の終端周辺に圧力および流体密閉を形成するために、単一またはワンピースの環状構造として製造される。外部カップラー４２は、概して、保持要素３２および３３、ならびにガスケット４３周辺に環状筐体または外部保持環を作成する、２つ以上の部品で形成される。

外部カップラー筐体４２の部品は、ボルト、ネジ、または他の機械的固定器具（図示せず）で固定される。これで、ガスケットをガスケット座／保持環３２に圧迫し、保持環３２の片側に配置される、保持要素３３に外部カップラー４２の片側を位置付ける。外部カップラー４２の他の側は、カップリング構造部４４に位置付けられ、同様な構造を提供して、機械的分離を防止し、追加のプロセス密閉を提供する。

外部カップラー４２およびガスケット４３は、フランジレスプロセスカップリング１２と協働して、圧力および流体密閉を提供し、また、パイプ部分１４とプロセスパイプ４１との間に機械的付設も形成する。具体的には、外部環／筐体４２の部分を締めるために機械的固定器具が使用されることにより、ライナー保護部３１に対してガスケット４３を圧迫し、保持要素３３に外部カップラー４２の片側を位置付け、ガスケット４３がライナー保護部３１に対して圧力および流体密閉を形成する。

図４に示されるように、保持環３２は、実質的に環状で、軸中心線Ｃ_Lに平行である外面３２Ａを有する。本実施形態において、フランジレスカップリング構造部１２は、統合型保持環と、ガスケット座と、ライナー保護部と、を備え、保持要素３２および３３は、組み合わされたカップリング環を形成し、ライナー保護部３１は、カップリング要素３２に（内部）ガスケット座を提供して、ガスケット４３に対する内部密閉を形成する。

代替の実施形態において、保持環３２は、外部カップラー４２およびガスケット４３の異なる断面形状に対応するために、傾斜する、くさび形状にする、へこみを付ける、延在する、または、別の形状を有する。同様に、多様な実施形態において、ガスケット座および保持要素は、矩形の断面（図４に図示）、もしくは半円、弧状、Ｖ字形状、溝付き、スロット付き、くさび形状、または他の断面形状を示し、ガスケット座および保持要素の両方は、多種多様な外部カップラー４２および内部または外部ガスケット４３に対応するように、多様な深さおよび幅を示す。

以下の図５の外部ガスケット実施形態とは対照的に、図４の実施形態は、外部ガスケットを使用せずに、外部カップラー４２とフランジレスカップリング１２との間に、直接外部カップリングを形成する。代わりに、ガスケット４３は内部にあり、ライナー保護部３１を介して、ガスケット座／保持環３２に対する内部流体および圧力密閉を形成する。図４は、フランジレスカップリング構造が、Ｇｒａｙｌｏｃ（登録商標）式の接続等の金属対金属の接続に対応することを示し、外部カップラー４２およびガスケット４３の両方は、金属または金属合金から製造される。代替として、これらの要素は、流量計１０の他の要素および外部カップラーに関して上記で説明された組成を含む金属およびポリマー両方の等級を備える、耐久性ポリマーから成る。

図５は、フランジレスプロセスカップリング１２の断面模式図で、プロセス流パイプ４１への代替の終端間接続を示す。本実施形態において、流体接続は、外部終端間ガスケット密閉と共に、フランジレスプロセスカップリング１２に対合することにより、パイプ部分１４とプロセスパイプ４１との間に外部終端間カップリングを形成する、外部カップラー４２および外部ガスケット４３により形成される。

より具体的には、フランジレスカップリング構造部１２は、組み合わせまたは統合型保持環と、ガスケット座と、ライナー保護部と、を備え、カップリング要素３２が、外部ガスケット座を提供し、カップリング要素３１は、外部カップラー４２を保持するためのカップリング溝を提供する。概して、カップリング溝は、パイプ部分１４の外半径ＯＲよりも小さい外半径を有し、パイプ部分１４の外半径は、保持要素３３と遷移部１５との間で測定される。対照的に、保持環は、パイプ部分１４の外半径ＯＲと同じ、またはこれよりも大きい外半径を有する。

一部の実施形態において、ガスケット座および保持要素は、関連する機械的固定器具と共に、Ｖｉｃｔａｕｌｉｃ（登録商標）式の外部カップラー４２および外部ガスケット４３に対応する。これらのカップラーは、米国ペンシルバニア州イーストンのＶｉｃｔａｕｌｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙから、広範囲のサイズおよび構成において販売されている。他の実施形態において、フランジレスプロセスカップリング１２は、他のいくつかの販売会社から販売されるように、様々な外部カップラー／ガスケットおよび機械的固定器具設計に対して構成される。

図４および５は、フランジレスカップリングデバイス１２が、内部および外部の両方のガスケット密閉を含む、多種多様な終端間および外部カップリング形状に構成可能であることを示す。具体的には、保持要素（またはカップリング要素）は、広範囲の保持溝、保持スロット、保持リング、保持環および他の保持形状、ならびに等しく広範囲の内部および外部ガスケット形状に構成可能である。これらは、ポリマー上に金属のカップリング面および金属上に金属のカップリング面の両方を含む。

フランジ付きまたは面対面流体密閉を形成する、先行の既存の高圧、高流量カップリング構造とは対照的に、図４および５に示される終端間または直管接続は、貫通穴フランジ固定器具を必要としない。このため、フランジレスカップリング１２は、ボルトを使用しない。つまり、カップリング１２のいかなる要素の穴を通って延在する機械的固定器具も存在しない。機械的固定器具は、パイプ部分１４およびプロセス流パイプ４１の周囲で外部カップラー４２を圧迫するために使用されるが、これらは、カップリング１２で流体接続を通して、またはこれを横切って物理的に延在しない。

さらに、フランジレスプロセスカップリング１２は、対向するフランジ間に面対面密閉を形成するフランジガスケットを必要としない。代わりに、フランジレスプロセスカップリング１２は、外部カップラー４２により圧迫されると、ガスケット座３２に対して密閉を形成する、フランジレスガスケットを採用する。従来のより低圧流体のカップリングとは対照的に、外部プロセスカップリング１２は、ネジ山もない。つまり、これらは、概して、外部の機械的固定器具上で使用されるが、圧力または流体密閉自体に関与するネジ山は存在しない。

これらの設計は、磁気式流量計の用途のために顕著な利点を有する。特に、ライナー保護部３１、ガスケット座３２および保持要素３３を備えるフランジレスプロセスカップリング１２は、剛性および可塑性両方のプロセス流体接続に適合可能である。前者の設計は、磁気式流量計が、屈曲に対応、または地震応力を低減するために、プロセスパイプ４１に対する制限された範囲の動きを可能にする。後者の設計は、相対的な動きを低減し、機械的振動の範囲を低減する。

また、フランジレスプロセスカップリング１２は、フランジ付きおよび貫通ボルト付き設計よりも容易な整合も提供する。特に、外部カップラー筐体４２は、貫通穴ボルトまたは他の機械的固定器具をフランジまたは他の密閉構造に挿入する前に、より完全な整合を必要とするのではなく、カップリングの形成中（つまり、機械的固定器具を締め付け中）構造部１２とプロセスパイプ４１との整合を完了する。このように、フランジレスプロセスカップリング１２は、専用アダプタ金具の必要性を低減し、かつ設置期間の要件を減少することにより、より迅速で容易な保守を容易にし、かつ全体的な運用コストを低減して、既存の流体処理構造に大幅な改造を必要とせずに、磁気式流量計の可能な設置範囲を増加させることになる。

本発明は、好ましい実施形態を参照して説明されてきたが、使用された用語は、説明の目的であって、制限を目的とするものではない。当業者は、本発明の精神および範囲を逸脱することなく、形状および詳細に変更が行われ得ることを理解するであろう。

Claims (25)

1. 磁気式流量計であって、
   パイプ部分と、
   プロセス流路を形成するように前記パイプ部分の内側を覆う絶縁ライナーと、
   前記プロセス流路への終端間流体接続部を形成するために、前記パイプ部分の終端上に配置されるフランジレス保持環と、
   前記絶縁ライナーに終端密閉部を提供するように、前記保持環上に形成されるライナー保護部と、
   前記プロセス流路の内側に磁場を生成するためのコイルと、
   前記プロセス流路を通る流体流に生成される起電力を検知するための起電力センサと、を備える、磁気式流量計。
2. 前記パイプ部分、前記保持環および前記ライナー保護部は、各々、非磁性材料から形成される、請求項１に記載の本体。
3. 前記非磁性材料は、前記パイプ部分、前記保持環および前記ライナー保護部の各々で同一である、請求項２に記載の本体。
4. 前記ライナー保護部および前記絶縁ライナーは、等しい内径を有する、請求項１に記載の本体。
5. 前記保持環は、外部カップラーと協働して前記終端間プロセス流体接続部を形成する、請求項１に記載の本体。
6. 前記保持環は、外部ガスケットと協働してプロセス流体密閉部を形成するための外部ガスケット密閉部を備える、請求項６に記載の本体。
7. 前記ライナー保護部は、内部ガスケットと協働してプロセス流体密閉部を形成するための内部ガスケット座を備える、請求項６に記載の本体。
8. 前記保持環は、前記パイプ部分の外半径よりも大きい外半径を有する、請求項６に記載の本体。
9. 前記外部のカップラーを位置付けるためのカップリング溝をさらに備える、請求項６に記載の本体。
10. 前記検知された起電力に基づいて、前記プロセス路を通る前記流体流を表す出力を生成するための信号処理部をさらに備える、請求項１に記載の本体。
11. 前記磁場を作成するように前記コイルを作動させるため、およびプローブにより検知された前記電圧の関数として、前記流路の流速を測定するための、トランスミッタをさらに備える、請求項１１に記載の本体。
12. 磁気式流量計であって、
    測定器本体を通して延在するパイプ部分と、前記パイプ部分の内側を覆うライナーと、前記ライナーを通して延在するプローブと、パイプ部分内部に磁場を生成するためのコイルと、を備える、測定器本体と、
    前記パイプ部分の終端上に形成される環状保持要素と、前記保持要素上に形成される環状ライナー保護部と、を備えるフランジレスカップリング構造部であって、前記ライナー保護部および前記保持要素は、非磁性材料から形成される、フランジレスカップリング構造部と、を備える、磁気式流量計。
13. 前記非磁性材料は、ステンレス鋼を含む、請求項１３に記載の流量計。
14. 前記ライナー保護部および前記ライナーは、等しい内径を有し、かつ前記ライナー保護部は、前記ライナー上に終端密閉部を形成する、請求項１３に記載の流量計。
15. 前記保持要素は、外部ガスケットと協働してプロセス流体密閉部を形成するための外部ガスケット密閉部を備える、請求項１３に記載の流量計。
16. 前記ライナー保護部は、内部ガスケットと共にプロセス流体密閉部を形成するための内部ガスケット密閉部を備える、請求項１３に記載の流量計。
17. 前記保持要素は、前記パイプ部分の外半径よりも大きい外半径を有する、請求項１３に記載の流量計。
18. 前記保持要素は、前記パイプ部分の外半径よりも小さい外半径を有する、請求項１３に記載の流量計。
19. 前記コイルを作動させるための電流源と、前記プローブにより生成される起電力信号に基づいて、前記流量計を通じて流体流を表す出力を生成するための信号処理部と、をさらに備える、請求項１３に記載の流量計。
20. 前記電圧信号の関数は、前記磁場のＤＣ変調関数を含む、請求項１９に記載の流量計。
21. 磁気式流量計を製造するための方法であって、
    前記磁気式流量計を通るプロセス流路を形成するように、絶縁ライナーでパイプ部分の内側を覆うステップと、
    前記プロセス流路の終端上にフランジレスカップリング構造部を形成するステップと、
    前記フランジレスカップリング構造部上にライナー保護部を溶接するステップと、を含み、
    前記ライナー保護部および前記ライナーは、等しい内径を有し、かつ前記パイプ部分、前記フランジレス結合構造部および前記ライナー保護部は、各々非磁性金属から形成される、
    方法。
22. 前記非磁性金属は、ステンレス鋼を含む、請求項１８に記載の方法。
23. 前記フランジレスカップリング構造部を形成するステップは、外部ガスケットと共に流体密閉部を形成するように構成される外部ガスケット座を形成するステップを含む、請求項１８に記載の方法。
24. 前記フランジレスカップリング構造部を形成するステップは、内部ガスケットと共に流体密閉部を形成するように構成される内部ガスケット座を形成するステップを含む、請求項１８に記載の方法。
25. 磁場により前記プロセス流路を横切って誘導された電圧を検知するために、前記パイプ部分および前記絶縁ライナーを通してプローブ電極を延在させるステップをさらに含む、請求項１８に記載の方法。

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