JP2015530590A - 磁気流量計 - Google Patents

Abstract

プロセス流体の流量を感知するための磁気流量計（３００）が提供される。この磁気流量計はそれを通して流れているプロセス流体を受け入れるように構成されたチューブ（２００，３１９）を含む。複数の電極（２１６）がプロセス流体に接触するように配置されている。少なくとも一つの電磁コイル（２１０，２１２）が該チューブに近接して配置されている。流量計電子機器（１３０，１４８）は、少なくとも一つの電磁コイルを通って流れる電流を制御し、プロセス流体に接触するように配置された複数の電極（２１６）を横切って生成された信号を感知するように構成されている。柔軟回路モジュール（２２０）はチューブに近接して配置されており、流量計電子機器に電気的に結合された、複数の電気配線を含む少なくとも一つの柔軟回路を有している。前記少なくとも一つの電磁コイルは、前記電気配線に結合されている柔軟回路モジュール中の第１のコイルを含む。

Description

本発明は、産業プロセスプラントにおけるプロセス流体の流量を感知する磁気流量計に関する。特に、本発明は、磁気流量計を用いる流量測定に関する。

磁気流量計は当技術分野では既知であり、典型的には、電磁コイルと一対の電極との傍を通り過ぎてプロセス流体を運ぶ電気的に絶縁された流体チューブを用いている。電磁コイルは、電磁場を、流れているプロセス流体に印加する。電磁誘導のファラデーの法則により、電圧すなわち起電力（ＥＭＦ）が流体中の前記一対の電極間に発生する。この電圧は、印加された磁場の強さの関数であり、流体の流速に比例する。

米国特許第４，４５９，８５８号

上記の特許文献１には、流量計がプロセスパイプの側壁を通して挿入される、"挿入"タイプの磁気流量計が示されている。

本発明は、信頼性があり、安価に製作できる柔軟回路モジュールを有する磁気流量計を提供する。また、"同軸"挿入型磁気流量計と名付けられる磁気流量計を提供する。

プロセス流体の流量を感知するための磁気流量計が提供される。この磁気流量計はそれを通して流れているプロセス流体を受け入れるように構成されたチューブを含む。複数の電極がプロセス流体に接触するように配置されている。少なくとも一つの電磁コイルが該チューブに近接して配置されている。流量計電子機器は、少なくとも一つの電磁コイルを通って流れる電流を制御し、プロセス流体に接触するように配置された複数の電極を横切って生成された信号を感知するように構成されている。柔軟回路モジュールはチューブに近接して配置されており、前記流量計電子機器に電気的に結合された、複数の電気配線 (electrical traces)を含む少なくとも一つの柔軟回路を有している。前記少なくとも一つの電磁コイルは、前記電気配線に結合されている前記柔軟回路モジュール中の第１のコイルを含む。

本発明によれば、従来のものより信頼性が大きくかつ安価に作れる磁気流量計を提供することができる。

図１は、磁気流量計を含むプロセス制御システムを示す図である。 図２は、図１の磁気流量計の部分切断図である。 図３は、磁気流量計の電気的な構成要素を示す簡単化されたブロック図である。 図４Ａは、本発明の一実施形態による磁気流量計の柔軟回路モジュール(flexible circuit module)と流体チューブの斜視図である。 図４Ｂは、本発明の一実施形態による磁気流量計の流体チューブ内にマウントされた柔軟回路モジュールの一部切断斜視図である。 図４Ｃは、本発明の一実施形態による磁気流量計の流体チューブ内の電極の拡大斜視図である。 図５は、本発明の一実施形態によるプロセスパイプのフランジ間に取り付けられた挿入型の磁気流量計の斜視図である。 図６は、本発明の一実施形態による挿入型磁気流量計の斜視図である。

図１は、磁気流量計１０２のための典型的な環境１００を示す。磁気流量計１０２は、図示では、プロセスパイプ１０４に結合され、該プロセスパイプはまた制御バルブ１１２に結合している。磁気流量計１０２は、プロセスプラント、例えば化学物質であるスラリ及び液体、パルプ、石油、ガス、薬剤、食料及び他の流体処理プラントにおける、流体に関連する１以上のプロセス変数をモニタするように構成されることのできる一つのタイプのプロセス変数伝送器の一例である。

磁気流量計において、モニタされるプロセス変数は、プロセスパイプ１０４を通る、それゆえに流体チューブ１０８を通るプロセス流体の速度に関するものである。磁気流量計１０２は、流体チューブ１０８に接続された電子機器ハウジング１２０を含む。磁気流量計１０２の出力は、通信バス１０６を介してコントローラ又はインディケータへ長い距離を越えて伝送されるように構成されている。典型的な処理プラントでは、通信バス１０６は、例えばコントローラ／モニタ１１０又は他の適当な装置に接続するための、４−２０ｍＡ電流ループ、ＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ（登録商標）フィールドバス接続、パルス出力／周波数出力、Highway Addressable Remote Transducer (HART（登録商標）)プロトコル通信、例えばＩＥＣ６２５９１に従う無線通信接続、イーサネット(登録商標)、又はファイバ光接続でありうる。システムコントローラ１１０は、人間のオペレータのために流体情報を表示するためのプロセスモニタとして、又は通信バス１０６を越えて制御バルブ１１２を用いるプロセスを制御するためのプロセスコントローラとして、プログラムされている。

図２は、従来技術による磁気流量計１０２の流体チューブ１０８の部分切断図である。流体チューブ１０８は、該流体チューブ１０８を通って流れる流体中に磁場を誘起するのに用いられる電磁コイル１２２を含んでいる。流体チューブ１０８中の電極１２４は、流体速度と印加された磁場とに起因して流体中に生成されたＥＭＦを感知するのに用いられる。

図３は、流体チューブアセンブリ１０８を通る導電性プロセス流体の流れを測定するための磁気流量計の種々の電気的構成要素を示す一実施形態のシステムブロック図である。コイル１２２は、コイルドライバ１３０から印加された駆動電流に応答して外部の磁場を流体の流れ(fluid flow)中に印加するように構成されている。コイルドライバ回路１３０は、駆動電流を電磁石コイル１２２に供給する。ＥＭＦセンサ（電極）１２４は、流体の流れに電気的に結合しており、印加された磁場及び流体速度に起因して流体の流れ中に発生されるＥＭＦに関連するＥＭＦ信号出力１３４を、増幅器１３２に提供する。アナログ・デジタル変換器１４２は、デジタル化されたＥＭＦ信号をマイクロプロセッサシステム１４８に提供する。信号プロセッサ１５０は、前記ＥＭＦ出力１３４に結合している流量計電子機器１４０のマイクロプロセッサシステム１４８中で実行され、流体速度に関連する出力１５２を提供する。メモリ１７８は、以下に説明するように、プログラム命令又は他の情報を蓄積するために用いられることができる。温度センサ１８０で検知された温度情報は線１８２を介して、流量計電子機器１４０に送られる。

マイクロプロセッサシステム１４８は、下式で表わされるファラデーの法則で規定されているＥＭＦ出力１３４と流体速度間の関係に従って流体チューブ１０８を通る速度を計算する。
Ｖ＝Ｅ／ｋＢＤ １式
ここに、ＥはＥＭＦ出力１３４であり、Ｖは流体の速度であり、Ｄは流体チューブ１０８の直径であり、Ｂは流体中の磁場の強さである。ｋは、比例定数である。デジタル・アナログ変換器１５８は、アナログ送信機出力１６０を生成するために、もし所望されるなら、通信バス１０６に結合するために、マイクロプロセッサシステム１４８に含まれる又は結合されることができる。デジタル通信回路１６２はデジタル送信機出力１６４を生成する。アナログ出力１６０及びデジタル出力１６４は、要望通りに、プロセスコントローラ又はモニタに結合されることができる。

現在製作されている多くの磁気流量計のコイルは、一般的に巻線型であり手造りされる。コイルは、その後、色々な型の機械クランプを用いてパイプのスプールに固定される。このプロセスは、かなりの量の手作業を含み、場合によっては繰り返すのが難しい時もある。さらに、多くの磁気流量計では、電極は流体チューブの壁で支持されている。この壁が、流体チューブの圧力定格の上端における圧力に応答して膨らむと、問題が発生する。これは、結果的に臨界シール面(critical sealing surfaces)に沿う動きを生じ、リーク（漏れ）の原因になる可能性がある。

本発明の一実施形態によると、磁気流量計のコイルと電極は、流体チューブ内に挿入される柔軟回路モジュール(flexible circuit module)上に配置される。柔軟回路モジュール２２０(図４Ａに示されている)は、比較的薄い形状因子であるコイルと好ましくは電極を含む。一般的に、柔軟な回路は、実質的に印刷回路板処理に類似する既知の技術に従って製造される。しかしながら、柔軟な回路が完成した時には、それはまだ柔軟であり、少なくとも回路の曲面や他の変形を必要とする装置内と構造に組み込まれることができる。さらに、それは、製造中に、柔軟な回路基板中又はその上に直接、ワイヤ（線）を巻くことがまた可能である。例えば、コイル用のワイヤは、従来の回路パターンニング技術やメッキ技術を用いて形成するのに代えて巻かれることができるが、完成したアセンブリはまだ柔軟回路モジュールであるとみなされるであろう。

この実施形態に従うと、柔軟回路モジュールは、もし所望なら、アセンブリを作りやすくするために、固い裏張り(rigid backing)に張り付ける又は固定されることができる。この固い裏張りは、金属ホイル又はスリーブを含む適当な固い材料で作られることができる。該柔軟回路モジュールは流体チューブの中に置かれ、そして柔軟回路に結合されるワイヤは流体チューブの壁を貫通している。非導電ライナー(non-conductive liner)がそれから電極を除いて柔軟回路モジュール全体に被覆される。完成されたサブアセンブリはコイルと電極の位置決めに関して重要な改良を示し、また、ライナーを貫通している一方で、電極はライナーと流体チューブとを直接貫通しないので、漏れ通路の可能性が低減する。さらに、本発明の一実施形態は、現在のデザインと比べて部分部分のばらつき(part-to-part variation)が低減し、流量計システム全体の信頼性を増すであろう。さらに、コイルハウジングはもはや必要がないであろうから、流体チューブは（磁気リターン(magnetic return)を提供する）カーボンスチール（炭素鋼）で作ることができ、その結果として、コストを大きく低減することができるであろう。

図４Ａは、本発明の一実施形態による磁気流量計の柔軟回路モジュール２２０と流体チューブ２００の斜視図である。流体チューブ２００はパイプ部２０２と該パイプ部２０２に溶接された一対のパイプフランジ２０４，２０６を含む。柔軟回路モジュール２２０は流体チューブ２０２の隣に図示されており、矢印２０８は、柔軟回路モジュール２２０が流体チューブ２００のパイプ部２０２内に装着されることを示している。柔軟回路モジュール２２０は、少なくとも一つの、及び好ましくは複数のコイル２１０，２１２を含み、これらのコイルは、電流がそれらに通される時、流体チューブ２００内に磁場を発生するように構成されている。コイル２１０，２１２は、適当な方法で作成されることができる。例えば、コイル２１０，２１２は、Ｘ−Ｙ線巻機(X-Y wire winder)を用いて巻かれた巻き線コイルでありうる。該巻き線コイルは、それから、モジュール２２０内の１以上の柔軟な回路配線に結合される。さらに、あるいは代替的に、コイル２１０，２１２はまた標準的な柔軟回路処理技術を用いてまた作成されることができる、又は柔軟な回路基板上にメッキ(plate)されることができる。いくつかの実施形態では、柔軟回路モジュールのコイル及び／又は回路配線は、それらの電流運搬能力を増すため、および潜在的により薄いプロファイルを達成するために、メッキされることができる。いくつかの実施形態では、モジュール２２０は例えば多くの柔軟回路基板の供給業者から入手できる特注設計のコイルであってもよい。

図４Ｂは、本発明の一実施形態による磁気流量計の流体チューブ２００内に装着された柔軟回路モジュール２２０の切断面を含む斜視図である。図４Ｂは、チューブ２０２内のフランジ２０４，２０６間の実質的に中間に装着された柔軟回路モジュール２２０を示す。ライナー２１４は、電極を除いてモジュール２２０の全てを覆って、フランジ２０４からフランジ２０６まで延びている。該電極の一つが参照数字２１６で示されている。図４Ｃは、流体チューブ２００内の電極２１６の拡大された斜視図である。電極が持ち上げられたチップ (raised tips)として形成されている実施形態では、好ましくは金属チップが柔軟な回路上にろう付けされている。しかしながら、他の適当な電気相互接続技術もまた本発明の実施形態に従って採用されることができる。ライナー２１４が電極を覆わないように、電極は持ち上げられたチップを備えた柔軟回路の一部であることができるが、ライナーが適当に電極に密閉されてさえいれば、該電極はまたライナー２１４の隙間又は開口部によってむき出しにされた単なる導電性パッチ又は領域であることができる。他のケースでは、電極は、好ましくは流体チューブ２００の最上部に置かれた適当な相互接続、例えばガラスヘッダを通して流体チューブ２００から抜け出すワイヤ又は他の適当な導電体に結合されている。図４Ａ−４Ｃに関して記述されている実施形態の他の特徴は、電極の位置が相互接続２１８の位置から全く独立していることである。これは、デザインにおける柔軟性(flexibility)をより大きくし、また電極にのしかかるプロセス流体が該電極の位置で流体チューブを通って漏れない又はしみ出さないであろうことを保証する。さらに、一つの相互接続２１８はそこを通る複数の電気接続に結合することができるから、潜在的な漏れ点(leak point)の数は、各電極が流体チューブを通る隙間又は開口部を表わすデザインに比べて低減される。

柔軟回路モジュール２２０を用いることは、また新しい形式の磁気流量計を可能にする。本発明のいくつかの実施形態によると、柔軟回路モジュールはプロセスパイプ中に挿入されているスリーブ又は保護管(casing)に装着されている。これは、多くの付加的な利点を提供する。

電極とコイルを確実に収納するために、流体チューブ１０８又は２００等の流体チューブは、典型的には、流量計が晒される最大プロセス流体圧力を封じ込めることができるようなサイズでかつ選択された金属チューブまたはパイプで形成される。時折、フランジはチューブの両側に溶接される。実際に、流体チューブは一対のフランジが溶接されると、"溶接物(weldment)"と呼ばれる。磁気流量計のこの溶接物は、磁気流量計のシャーシ(chassis)と考えることができ、磁気流量計の最も高価な部品であるということができる。例えば、３"（インチ)ラインサイズの溶接物は、磁気流量計の全体のコストの約４５％を占める。該ラインサイズは増大するので、該溶接物は、磁気流量計の全体のコストの、従来よりより大きな割合を占めることになる。例えば、２４"ラインサイズの磁気流量計に対する該溶接物は、磁気流量計の全体のコストの約６９％を占めることになる。該溶接物のコストがそのような割合にならない磁気流量計を提供することは、従来のデザインに比べて、大きな利益と改善をもたらすことになる。

本発明の一実施形態によると、新しいタイプの磁気流量計が提供される。この新しいタイプは、同軸挿入型磁気流量計と称される。なぜなら、該磁気流量計の少なくとも一部がプロセスパイプ１０４の中に実際に挿入され、流量計の挿入部分とプロセスパイプは同軸であるからである。これは、磁気流量計がプロセスパイプ１０４に取付られている一対の両側フランジを含み、流体チューブ、コイル及び電極が前記一対のフランジの間に配置されている、従来のデザインと対照的である。それに代えて、コイルと電極を含む磁気流量計のその部分は、パイプフランジより好ましくは下流のプロセスパイプ内に配置されている。これは、溶接物を必要としないようにしている。本発明の実施形態は、また、例えば米国特許第４，４５９，８５８号に示されているような、流量計がプロセスパイプの側壁を通して挿入される、従来の"挿入"タイプの磁気流量計と異なっている。この違いを目だ立たせるために、本発明の実施形態は"同軸"挿入型磁気流量計と名付けられる。

図５は、本発明の実施形態による同軸挿入型磁気流量計の斜視図である。流量計３００は、プロセスパイプ１０４のフランジ３０６，３０８に密着又は密閉(seal)するガスケットされた前縁(gasketed leading edge)３０２を有している。特に、前縁３０２の面３１０はフランジ３０６の面３１２に密着又は密閉し、一方前縁３０２の面３１４はフランジ３０８の面３１６に密着又は密閉している。前縁３０２と保護管(casing)３１８は、好ましくは固く頑強なデザインを提供するために、金属で形成されている。しかしながら、ある低負荷用の用途では、前縁３０２と保護管３１８とは、プラスチック又は他の適当な材料で形成されることができる。前縁３０２は、好ましくは流体チューブのライナー(flow tube liner)３２２内のプロセス流体の流れをスムーズに調整するように構成されている。さらに、前縁３０２は、好ましくはステップ３２８で保護管３１８に接触しており、該保護管は、流体チューブのライナー３２２が曲面３３０の端部とぴったり重なるか、又は該端部から奥まった所に置かれるようなサイズにされている。

柔軟回路モジュール２２０は保護管３１８に近接して配置され、かつ同じ方向（例えば、下流又は上流）に面３１０、３１４の各々から間隔を置かれている。これは、コイルと電極が一対のフランジの間に置かれ、このためにそのようなフランジから反対方向に間隔を置かれている、従来のデザインと対照的である。柔軟回路モジュール２２０は、ポリウレタン、アディプレン(adiprene)、エチレンプロピレンディモノマ（ＥＰＤＭ）を含む適当な固い裏地(lining materials)で形成されることのできる適当なライナー３２２で、実質的に密閉されている。さらに、柔軟回路モジュールの上にモールドされることのできるいかなる材料も用いられることができる。例えばペルフルオロアルコキシ（ＰＦＡ）又はポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のような柔らかな材料に対しては、それを適所によりよく保持するために、金属の唇(metal lip)が後部（後縁）に設けられることができる。

流量計３００の電極は、プロセスパイプ１０４内を流れる媒体(media)に接触している。電極は、ライナーが電極を覆わないように持ち上げられたチップをもつ、柔軟回路モジュール２２０の一部であることができる。また、該電極は、いくつかの実施形態ではガラスヘッダ(glass header)で作られるシール部又は相互接続３２４を通って抜け出るワイヤを備えた、単なる導電体領域又はパッチであることができる。しかしながら、電力及び信号導電体は、柔軟回路モジュール２２０に結合される柔軟回路の一部として、又は離れた柔軟回路として形成されることができると、また考えられている。

シールド部３２４は、前記コイルと電極に接続されている信号及び電力導電体が、該シールド部を通り抜けるようにし、該導電体はそれから例えばハウジング１２０内に配置されている回路１４０(図３に示されている)のような適当な磁気流量計回路に結合される。いくつかの実施形態では、ハウジング１２０は、単一の同軸挿入型磁気流量計を形成するために、ガスケットされた前縁３０２に装着又は固定されることができる。

図６は、本発明の一実施形態による同軸挿入型磁気流量計の斜視図である。図６は、保護管３１８内に配置された柔軟回路モジュール２２０を示している。

内部に配置されたコイルの低姿勢とプロセス流体への近接により、本発明の一実施形態は、従来のデザインよりより低電力レベルを用いて動作させることができると考えられている。

本発明は好ましい実施形態を参照して説明されたが、当業者は、本発明の精神及び範囲を逸脱することなしに、形状及び細部を変更することができることを認識するであろう。

１０４・・・プロセスパイプ、２００・・・チューブ、２０２・・・パイプ部、２１０，２１２・・・電磁コイル、２２０・・・柔軟回路モジュール、２１６・・・電極、３００・・・磁気流量計、３２２・・・ライナー、３１８・・・保護管。

Claims (19)

1. プロセス流体の流量を感知するための磁気流量計であって、
   該磁気流量計は、
   その中を通るプロセス流体の流れを受け入れるように構成されたチューブと、
   プロセス流体に接触するように配置された複数の電極と、
   前記チューブに近接して配置された少なくとも一つの電磁コイルと、
   少なくとも一つの電磁コイルを通して電流を送り、複数の電極で生成された信号を感知するように構成された流量計電子機器と、
   前記チューブに近接して配置され、前記流量計電子機器に電気的に結合された複数の電気配線 (electrical traces) を含む少なくとも一つの柔軟な回路を有する柔軟回路モジュールとを具備し、
   前記少なくとも一つの電磁コイルは、前記電気配線に結合される前記柔軟回路モジュール中の第１のコイルを含む、磁気流量計。
2. 前記少なくとも一つの電磁コイルは、前記複数の電気配線に結合された前記柔軟回路モジュール中の第２のコイルを含む、請求項１に記載の磁気流量計。
3. 前記第１のコイルは、プリント回路配線として形成されている、請求項１に記載の磁気流量計。
4. 前記第１のコイルは、柔軟回路モジュールの基板上にメッキされている、請求項１に記載の磁気流量計。
5. 前記第１のコイルは、巻き線型コイルである、請求項１に記載の磁気流量計。
6. 前記柔軟回路モジュールはまた少なくとも一つの電極を含み、該少なくとも一つの電極は前記電磁コイルに結合された電気配線と関連のない電気配線に結合されている、請求項１に記載の磁気流量計。
7. 前記柔軟回路モジュールは複数の電極を含み、該複数の電極の各々は前記電磁コイルに結合された電気配線と関連のない電気配線に結合されている、請求項６に記載の磁気流量計。
8. 前記少なくとも一つの電極は、前記プロセス流体に接触するために、前記柔軟回路モジュールから内方へ延びる持ち上げられたチップからなる、請求項６に記載の磁気流量計。
9. さらに、前記柔軟回路モジュールと前記プロセス流体との間に、前記電極の近接領域を除いて配置された実質的に非導電体のライナーを含む、請求項１に記載の磁気流量計。
10. 前記チューブはカーボンスチールから構成される、請求項１に記載の磁気流量計。
11. 前記チューブは、前記少なくとも一つの電磁コイルと複数の電極とから前記流量計電子機器までの複数の導電体に対して、シールされた通路を提供する相互接続を含む、請求項１に記載の磁気流量計。
12. 前記複数の導電体は、前記柔軟回路モジュールに結合されたワイヤである、請求項１１に記載の磁気流量計。
13. 前記相互接続は、ガラスヘッダとして形成されている、請求項１１に記載の磁気流量計。
14. 前記チューブは、プロセスパイプ内の少なくとも一部にマウントされている、請求項１に記載の磁気流量計。
15. 前記流量計は、同軸挿入型磁気流量計である、請求項１に記載の磁気流量計。
16. 前記チューブの前縁は、前記チューブを通るプロセス流体を調整するための、流体調整面を有する、請求項１に記載の磁気流量計。
17. 前記流体調整面は、曲面である、請求項１６に記載の磁気流量計。
18. 前記チューブは一対のパイプフランジ間にマウントされるように構成されているエッジに結合され、該エッジが、第１のパイプフランジに接触するための第１の面と、第２のパイプフランジに接触するための第２の面を有し、前記チューブは前記第１及び第２のパイプフランジから下流に移されている、請求項１に記載の磁気流量計。
19. 前記エッジは、ガスケットされた前縁(gasketed leading edge)である、請求項１８に記載の磁気流量計。