JP2015111142A - 流量計における幾何学的熱補償のための計器電子装置及び方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】流量計における幾何学的熱補償のための計器電子装置20は、流量計のセンサ信号31と温度信号T32とを受け取るインターフェース23と、温度信号Tを用いて1つ以上の流れ管路の幾何学的熱補償係数TFeを計算する処理システム24とを備えている。幾何学的熱補償係数TFeは第1及び第2のセンサ信号を処理するのに用いられる。
【選択図】図2
Description
電子装置及び方法に関する。
を収容する振動型管路の運動を検出することによって動作される。質量流量や密度のよう
な、管路内の資材に関連する特性は、管路に関連付けられた運動トランスデューサから受
信される測定信号を処理することによって決定され得る。一般に、資材で満たされた振動
システムの振動モードは、収容する管路とそこに収容される資材との組み合わされた質量
、剛性及び減衰特性によって影響される。
続されていて例えば流体、スラリ等の資材をシステムにおいて運搬する1つ又は複数の流
れ管路又は流管を備えている。それぞれの管路は、例えば単純曲げモード、捻れモード、
ラジアル・モード、結合モードを含む固有振動モードの組を有するものとみなされる。典
型的なコリオリ流量測定の応用においては、資材が管路を通って流れるときに、1つ又は
複数の振動モードで管路が励振される。典型的には、励振は、周期的に管路を振動させる
ボイスコイル型駆動装置のような電気機械的装置等のアクチュエータによって与えられる
。質量流量は、トランスデューサの場所での運動間の時間遅延又は位相を測定することに
よって決定される。典型的には、流れ管路の振動応答を測定するために、こうした2つの
トランスデューサ(又はピックオフ・センサ)が採用され、典型的には、アクチュエータ
の上流側又は下流側の位置に配置される。2つのピックオフ・センサは2対の独立したワ
イヤ等の配線によって電子計器に接続される。電子計器は2つのピックオフ・センサから
信号を受け取り、これらの信号を処理して質量流量測定値を導出する。
量はピックオフ・センサ間の時間遅延(Δt)に正比例する。この関係は下記の式1、即
ち
ro値は、経験的に導出されたゼロ流量オフセットである。
FCFは流量計の管路の剛性と幾何学的形状とに主に依存する。幾何学的形状は、位相
又は時間の2つの測定が行われる場所のような特徴を含む。剛性は、流れ管路の材質特性
と管路の幾何学的形状とに依存する。特定の流量計の場合、FCF値及びzero値は、
特定の校正温度において2つの既知の質量流量で流れる校正流体により実施される校正プ
ロセスによって見出される。
変化する。例えば、動作温度が校正温度よりも高くなると、流量計の剛性に変化が生じる
。正確な質量流量測定を保証するには、FCF値とzero値とがほぼ一定であることが
必要である。これは達成が極めて困難である。代わりに、正確な質量流量測定は、FCF
値やzero値の変化を補償する堅固な方法が採用されることを求めている。
用状態においては、流量計は、基準温度とは異なる温度で動作することが多い。従来技術
においては、比較的簡単な方法で流量計が温度変化について補償される。従来から、弾性
率が温度と共に変化することが知られている。その結果、従来技術においては、弾性率に
対する影響を補償するために、質量流量と密度との式が追加される。
式2、即ち
温度の変化に対応してFCFがどのように変化するかを定義する。
上記の関数φの勾配はFTと呼ばれることが多く、典型的には、特定の流量計設計又は
流量計群に対する実験を通して決定される。従来技術においては、FCFは、温度に対す
る弾性率の勾配と本質的に同一であると普通は考えられている。しかし、弾性率は、流量
計が動作する全温度範囲にわたって線形であるとは限らない。この非線形性を補償するた
めに、この変化を更に良好に補償する高次多項式、例えば下記の式3、即ち
計温度の変化につれてFCFがどのように変化するかを定義する。ヤング率の項はTFy
として表される。(TFy)項は一次の線形項を含み、又は多項式を含むことができる。
ことができる。振動周期の二乗は、振動系の質量を剛性で割った値に正比例する。流れ管
路の特定の条件に対して、剛性と質量は一定であり、流体密度(ρf)は周期の二乗に正
比例する。この関係は下記の式4、即ち
C2は、流れ管路の剛性に依存するとともに、流量計内の流体の質量及び体積に依存する
。係数C1、C2は、既知の密度の2つの流体を用いて流量計を校正することにより決定
される。
む典型的な密度計算の形は、下記の式5、即ち
と共に管周期の二乗がどのように変化するかを定義する。
上記の関数φの勾配はDTと呼ばれることが多く、典型的には、特定の流量計設計又は
流量計群に対する実験を通して決定される。留意されるように、質量流量におけると同様
に、密度温度補償プロセスに対する温度の影響を除くために、高次関数を用いることがで
きる。FTと同様に、従来技術においては、DTは、温度に対する弾性率の勾配と同一で
あると普通は考えられている。その結果、従来技術においては、質量流量と密度が同じよ
うに温度補償される。
どに機能する。しかし、温度の両極端においては、その固有の不正確さや不完全さが顕著
になり、目立つようになる。このため、従来技術においては、追加の補償及び校正プロセ
スが必要になることが多い。例えば、90°Cのような高温で使用される流量計について
は、同様に高い基準温度で新たな校正プロセスが実行される。この追加の校正プロセスは
、この新たな校正温度付近の温度で流量計が所望の精度内で動作することを保証する。し
かし、周囲温度が大幅に低下(又は上昇)すると、流量計の精度は悪影響を受ける。
れる。この計器電子装置は、流量計のセンサ信号と温度信号(T)とを受け取るように構
成されるインターフェースを備える。また、計器電子装置は、インターフェースと結合さ
れ、センサ信号と温度信号とを受け取るよう構成され、温度信号(T)を用いて流量計の
1つ又は複数の流れ管路に対する幾何学的熱補償係数(TFe)を計算する処理システム
を備える。幾何学的熱補償係数(TFe)は第1及び第2のセンサ信号を処理するのに用
いられる。
る。この方法は、流量計のセンサ信号と温度信号とを受け取ること、及び、温度信号(T
)を用いて流量計の1つ又は複数の流れ管路に対する幾何学的熱補償係数(TFe)を計
算することを含む。幾何学的熱補償係数(TFe)は第1及び第2のセンサ信号を処理す
るのに用いられる。
る。この方法は、流量計のセンサ信号と温度信号とを受け取ること、及び、温度信号(T
)を用いて流量計の1つ又は複数の流れ管路に対する幾何学的熱補償係数(TFe)を計
算することを含む。更に、方法は、熱的に補償された密度と熱的に補償された質量流量と
のうちの両方又は一方を計算することを含む。幾何学的熱補償係数(TFe)は第1及び
第2のセンサ信号を処理するのに用いられる。
計器電子装置の1つの態様において、幾何学的熱補償係数(TFe)は一次式を含む。
計器電子装置の他の態様において、幾何学的熱補償係数(TFe)は多項式を含む。
)を記憶するよう構成された記憶システムを更に備える。
計器電子装置の別の態様において、計器電子装置は、密度及び質量流量を記憶するよう
構成された記憶システムを更に備える。
計の1つ又は複数の流れ管路に対する幾何学的熱補償係数(TFe)を計算するよう構成
される。
度信号(T)との間の温度差(ΔT)を含む。
計器電子装置の更に別の態様において、処理システムは、センサ信号と幾何学的熱補償
係数(TFe)とから1つ以上の流れ特性を計算するよう構成される。
するよう構成される。
計器電子装置の更に別の態様において、処理システムは、式
は一次熱膨張係数αを含む。
計器電子装置の更に別の態様において、(TFy)項は弾性率熱補償項を含む。
計算するよう構成される。
計器電子装置の更に別の態様において、処理システムは、式
)項は一次熱膨張係数αを含む。
計器電子装置の更に別の態様において、(TFy)項は弾性率熱補償項を含む。
方法の他の態様において、幾何学的熱補償係数(TFe)は多項式を含む。
方法の更に他の態様において、計算することは、温度信号(T)及び一次熱膨張係数α
又は多項式を用いて1つ又は複数の流れ管路に対する幾何学的熱補償係数(TFe)を計
算することを更に含む。
T)との間の温度差(ΔT)を含む。
方法の更に別の態様において、方法は、センサ信号と幾何学的熱補償係数(TFe)と
から1つ以上の流れ特性を計算することを更に含む。
む。
方法の更に別の態様において、方法は、式
は一次熱膨張係数αを含む。
方法の更に別の態様において、(TFy)項は弾性率熱補償項を含む。
に含む。
方法の更に別の態様において、方法は、式
)項は一次熱膨張係数αを含む。
方法の更に別の態様において、(TFy)項は弾性率熱補償項を含む。
る特定の例を示している。発明原理を教示するために、従来の態様の中には簡単化され又
は省略されたものがある。当業者は理解するように、こうした例の変形は発明の範囲内に
入る。当業者は理解するように、以下に記述される特徴は種々の方法で組み合わされて発
明の複数の変形を形成することができる。その結果、本発明は、以下に記述される特定の
例に限定されるものではなく、請求項とその均等物とによってのみ限定される。
る。計器電子装置20は、密度、質量流量、体積流量、総質量流量、温度及びその他の情
報を経路26によって提供するために、リード線100を介して流量計組立体10に接続
されている。当業者には明らかなように、本発明は、駆動装置、ピックオフ・センサ及び
流れ管路の数や動作振動モードに無関係に、任意の形式のコリオリ流量計5によって使用
されることができる。コリオリ流量計5によって提供される追加の測定能力無しに、本発
明を振動管密度計として実施することができることは当業者には明らかであるけれども、
コリオリ流量計5の構成が記述される。
0’と、駆動装置180と、ピックオフ・センサ170L、170Rと、流れ管路130
、130’とを備える。駆動装置180とピックオフ・センサ170L、170Rとは流
れ管路130、130’に接続される。
、資材はフランジ101を通って流量計組立体10に入り、入口側マニホールド150を
通過して、資材の全量が流れ管路130、130’に入るよう向きを変え、流れ管路13
0、130’を通って流れて出口側マニホールド150’へ戻り、フランジ101’を通
って流量計組立体10から出る。
同一の質量分布、慣性モーメント及び弾性率を持つように選択され、入口側マニホールド
150と出口側マニホールド150’とに適切に取り付けられる。
関して逆方向に且ついわゆる流量計5の第1位相外れ曲げモードで駆動される。駆動装置
180は流れ管路130に取り付けられた磁石と流れ管路130’に取り付けられた対向
コイルのような、多くの公知の装置のうちの1つを備える。交流を対向コイルに流すと、
両方の管路が振動させられる。リード線186を介して計器電子装置20から適宜の駆動
信号が駆動装置180に印加される。
装置20はリード線185上に駆動信号を生成し、それにより、駆動装置180は管路1
30、130’を振動させる。計器電子装置20は、周囲温度測定を行う抵抗温度装置(
RTD)190から温度信号を受け取る。温度信号はRTD190からリード線195を
介して受け取られる。計器電子装置20は、ピックオフ・センサ170L,170Rから
の右温度信号及び左温度信号を処理して質量流量を計算する。経路26は計器電子装置2
0がオペレータとインターフェースを取る入出力手段を提供する。図1の記述は流量計5
の動作の単なる例として提供されており、本発明の教示を限定するものではない。
装置20はインターフェース23と処理システム24とを備えており、更に記憶システム
25を備えることができる。
システム24へ伝えるよう構成される。例えば、インターフェース23は、第1のピック
オフ・センサ170Lから第1のセンサ信号を、第2のピックオフ・センサ170Rから
第2のセンサ信号を受け取るよう構成される。また、インターフェース23はRTD19
0から温度信号32を受け取って記憶するよう構成される。温度信号32は流れ管路13
0、130’の周囲温度の測定値を含む。
する。また、処理システム24は一次熱膨張係数(α)33を含む。一次熱膨張係数(α
)33は、温度に起因する、更に適切には温度変化に起因する幾何学的大きさの変化を表
す。したがって、一次熱膨張係数(α)33は温度の一次関数を含むことができ、又は温
度の多項式関数を含むことができる。発明の目的のために、温度変化は基準温度又は校正
温度(T0)からの温度(T)の変化、即ち、値T−T0である。
計組立体10の流れ管路130、130’の少なくとも材質にしたがって選択される。更
に、一次熱膨張係数(α)33は流量計組立体10の他の特性、例えば、管の形状や壁面
の厚さ等にしたがって選択され得る。
何学的熱補償係数(TFe)45は、流量計組立体10の熱膨張や熱収縮に起因する幾何
学的補償を実施するために使用される。したがって、幾何学的熱補償係数(TFe)45
は流量計組立体10の材質と特性とにしたがって形成され得る。幾何学的熱補償係数(T
Fe)45については後で詳述する。
とを計算するよう構成される。流れ測定値は質量流量35、密度34等々のうちの1つ又
は複数を含むことができる。流れ特性は、流れ測定値を生成するのに使用される周波数(
f)、位相差(Δθ)、時間遅延(Δt)等のうちの1つ又は複数を含むことができる。
複数の流れ管路130、130’における幾何学的熱補償係数(TFe)45を計算する
ように構成される。幾何学的熱補償係数(TFe)45はセンサ信号31を処理するのに
使用される。
T)項として表される一次補償係数を含むことができる。(TFe)の一次補償は幾何学
的熱膨張の一次近似を含むことができる。実施の形態によっては、一次補償係数(TFe
)は十分な精度を提供する。しかし、幾何学的な熱膨張又は熱収縮は厳密には線形ではな
く、或る実施の形態においては、一次近似は所望の精度を達成しない。したがって、実施
の形態によっては、幾何学的熱補償係数(TFe)45は、ヤング率(E)について行い
得たように多項式を含む(式(3)を参照のこと)。多項補償係数は、例えば(1+α1
・ΔT+α2・ΔT2+α3・ΔT3)項として表される。
流れ管路130、130’における幾何学的熱補償係数(TFe)45を計算するよう構
成されるとともに、幾何学的熱補償係数(TFe)45を用いて、熱的に補償された密度
を計算するよう構成される。1つの実施の形態においては、処理システム24は、温度信
号を用いて1つ又は複数の流れ管路における幾何学的熱補償係数(TFe)45を計算す
るよう構成されるとともに、幾何学的熱補償係数(TFe)45を用いて、熱的に補償さ
れた質量流量を計算するよう構成される。幾何学的熱補償係数(TFe)45により、他
の流れ特性をも補償することができる。
憶システム25は、受け取ったセンサ信号31と受け取った温度信号32とを記憶するこ
とができる。記憶システム25は、計算に用いる定数を記憶することができる。例えば、
記憶システム25は、基準温度(T0)36、剛性値(K)38、第1定数C139、第
2定数C240及びFCF値37を記憶することができる。記憶システム25は、密度3
4、質量流量35及び幾何学的熱補償係数(TFe)45を含む計算値を記憶することが
できる。所望により、追加の計算値を記憶システム25に記憶させることができる。
流量計に対する密度及び質量流量の式に含まれる。下記の式6〜式14は、幾何学的熱補
償係数(TFe)45を含む幾何学的熱補償の導出を示している。式15〜式19は、流
量計5のセンサ信号を処理する際に項がどのように含まれるかを示す。
ルヌーイのビームの固有周波数は、下記の式6、則ち
モーメントであり、(M/l)項はビーム(管)とそれが収容する流体の単位長さ当たり
の質量であり、(l)項はビームの長さであり、(βnl)2項はビームの境界条件に依
存する定数である。
記の式7、即ち
弾性率(E)は温度と共に変化する。下記の式8、即ち
次多項式で表すことができる。(E0)項は基準温度(T0)での弾性率である。先に検
討したとおり、(TFy)項はヤング率であり、一次近似(1−φ・(T−T0))又は
多項式(1―φ・ΔT―φ2・ΔT2―φ3・ΔT3―φ4・ΔT4)として表される。
るが、弾性率と同様に、高次多項式で表すことができる。
l0項は基準温度T0での長さであり、(TFe)項は幾何学的熱膨張係数である。こ
こでも、(TFe)項は、(T−T0、即ちΔT)及び(α)項を含む幾何学的熱膨張係
数を含む。α項は、本発明にしたがって導入される一次熱膨張係数を含む。α項は、幾何
学的な膨張や収縮を熱的に補償するために導入される。
0〜式12に示すように、管の断面積At(T)、流体の断面積Af(t)及び慣性モー
メントI(t)を計算するのに用いられる。
管の質量は温度の共に変化することはないので、その密度は体積膨張と共に減少しなけ
ればならない。温度の函数としての管の密度(ρt)は下記の式13、即ち
K)は、下記の式14、即ち
式6〜式14を用いると、流体密度(ρf)は、下記の式15、即ち
)及び幾何学的熱補償係数(TFe)を用いて書き表される。C1項及びC2項は、温度
から独立した定数であって、基準温度における流れ管路の形状及び材料特性に関係する定
数である。(TFy)項と(TFe)項は、温度(T)と基準温度(T0)との間の差を
含む(ΔT)項を含む。更に、(TFe)項は一次熱膨張係数(α)を含む。
の式16、即ち
l)によって与えられ、
時間遅延(Δt)は、下記の式17、即ち
Δt)は、下記の式18、即ち
づく定数である。
質量流量
(φ)及び幾何学的熱補償係数(TFe)を用いて書き表される。FCF項は、温度から
独立していて基準温度(T0)における管の形状と材質特性とに関係する、実質的に一定
の値を含む。(ΔT)値は温度(T)と基準温度(T0)との間の差である。
全ての変数が適切に特徴付けられ且つ温度測定が正確であれば、大きくはない。しかし、
これに対して、幾何学的熱変化が考慮されない場合には、密度誤差は感知されるほどであ
る。質量流量と密度との不正確さは周囲温度が基準温度から離れるにつれて顕著になる。
コリオリ流量計及び振動密度計の精度を改善する。流体の密度が水の密度と相違し、温度
が基準温度(T0)の付近にない場合、密度測定精度の利点は有意義である。
。ステップ301において、センサ信号31が受け取られる。実施の形態によっては、第
1及び第2のセンサ信号31が流量計から受け取られる。
温度は実質的に周囲温度を含む。ステップ303において、計器電子装置は先に検討した
ように幾何学的熱補償係数(TFe)を計算する。幾何学的熱補償係数は、流れ管路の形
状の熱膨張又は熱収縮について流れ特性を補償する。熱膨張又は熱収縮は、例えば、流れ
管路の断面の大きさの変化及び/又は長さの変化を含む。
性が計算される。先に検討したように、流体の補償された密度値を計算することができる
。先に検討したように、流体の補償された質量流量値を計算することができる。
って精度の改善をもたらす。温度補償は質量流量測定の一層正確な補償を提供する。温度
補償は密度の一層正確な補償を提供する。温度補償は、テスト間で温度が変動したときに
テスト結果の分析を改善する。
Claims (29)
- 振動型流量計(5)における幾何学的熱補償のための計器電子装置(20)であって、
前記振動型流量計(5)の1つ又は複数の振動型センサ信号と温度信号Tとを受け取るように構成されたインターフェース(23)を備える計器電子装置(20)において、
前記インターフェース(23)と結合され、前記1つ又は複数の振動型センサ信号と前記温度信号(T)とを受け取るように構成され、前記温度信号(T)を用いて前記振動型流量計(5)の1つ又は複数の流れ管路(130、130’)の断面積及び密度における温度変化を補償するために幾何学的熱補償係数(TFe)を計算する処理システム(24)を備え、
前記幾何学的熱補償係数(TFe)が1つ又は複数の振動型センサ信号を処理するのに用いられる、
計器電子装置。 - 前記幾何学的熱補償係数(TFe)を記憶するように構成された記憶システム(25)を更に備える、請求項1に記載の計器電子装置。
- 密度と質量流量とを記憶するように構成された記憶システム(25)を更に備える、請求項1に記載の計器電子装置。
- 前記処理システム(24)が、前記温度信号(T)と一次熱膨張係数(α)とを用いて前記1つ又は複数の流れ管路(130、130’)の前記幾何学的熱補償係数(TFe)を計算するよう構成される、請求項1に記載の計器電子装置。
- 前記幾何学的熱補償係数(TFe)が、基準温度(T0)と温度信号(T)との間の温度差(ΔT)を含む、請求項1に記載の計器電子装置。
- 前記処理システム(24)が、前記1つ又は複数の振動型センサ信号と前記幾何学的熱補償係数(TFe)とから1つ以上の流れ特性を計算するよう構成される、請求項1に記載の計器電子装置。
- 前記処理システム(24)が、熱的に補償された密度を計算するよう構成される、請求項1に記載の計器電子装置。
- 前記(TFy)項が弾性率熱補償項を含む、請求項8に記載の計器電子装置。
- 前記処理システム(24)が、熱的に補償された質量流量を計算するよう構成される、請求項1に記載の計器電子装置。
- 前記(TFy)項が弾性率熱補償項を含む、請求項11に記載の計器電子装置。
- 振動型流量計における幾何学的熱補償のための方法であって、前記振動型流量計の1つ又は複数の振動型センサ信号と温度信号(T)とを受け取るステップを含む方法において、
前記温度信号(T)を用いて前記振動型流量計の1つ又は複数の流れ管路の断面積及び密度における温度変化を補償するために幾何学的熱補償係数(TFe)を計算するステップを備え、
前記幾何学的熱補償係数(TFe)が1つ又は複数の振動型センサ信号を処理するのに用いられる、
方法。 - 前記温度信号(T)と一次熱膨張係数(α)とを用いて前記1つ又は複数の流れ管路の前記幾何学的熱補償係数(TFe)を計算するステップを更に備える、請求項13に記載の方法。
- 前記幾何学的熱補償係数(TFe)が、基準温度(T0)と温度信号(T)との間の温度差(ΔT)を含む、請求項13に記載の方法。
- 前記1つ又は複数の振動型センサ信号と前記幾何学的熱補償係数(TFe)とから1つ以上の流れ特性を計算するステップを更に備える、請求項13に記載の方法。
- 熱的に補償された密度を計算するステップを更に備える、請求項13に記載の方法。
- 前記(TFy)項が弾性率熱補償項を含む、請求項18に記載の方法。
- 熱的に補償された質量流量を計算するステップを更に備える、請求項13に記載の方法。
- 前記(TFy)項が弾性率熱補償項を含む、請求項21に記載の方法。
- 振動型流量計における幾何学的熱補償のための方法であって、前記振動型流量計の1つ又は複数の振動型センサ信号と温度信号(T)とを受け取るステップを含む方法において、
前記温度信号(T)を用いて前記振動型流量計の1つ又は複数の流れ管路の断面積及び密度における温度変化を補償するために幾何学的熱補償係数(TFe)を計算するステップと、
熱的に補償された密度と熱的に補償された質量流量とのうちの少なくとも一方を計算するステップと、
を備え、前記幾何学的熱補償係数(TFe)が1つ又は複数の振動型センサ信号を処理するのに用いられる方法。 - 前記温度信号(T)と一次熱膨張係数(α)とを用いて前記1つ又は複数の流れ管路の前記幾何学的熱補償係数(TFe)を計算するステップを更に備える、請求項23に記載の方法。
- 前記幾何学的熱補償係数(TFe)が、基準温度(T0)と温度信号(T)との間の温度差(ΔT)を含む、請求項23に記載の方法。
- 前記(TFy)項が弾性率熱補償項を含む、請求項26に記載の方法。
- 前記(TFy)項が弾性率熱補償項を含む、請求項28に記載の方法。
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Citations (7)
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JPH06331405A (ja) * | 1993-05-20 | 1994-12-02 | Tokico Ltd | 振動式測定装置 |
JPH09113433A (ja) * | 1995-10-20 | 1997-05-02 | Tokico Ltd | 密度計 |
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-
2015
- 2015-02-06 JP JP2015022327A patent/JP5952928B2/ja active Active
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