JP2016511412A - ピトー管横断アセンブリ - Google Patents

Abstract

導管（１０２）内の圧力を測定するための圧力測定システム（１００）は、導管（１０２）内に延びるブラフボディ（１２８）を有する。ブラフボディ（１２８）は、上流側開口（１３２）と下流側開口（１３６）を有する。上流側ピトー管（１１２）は、ブラフボディ（１２８）内に摺動自在に係合され、上流側開口（１３２）内に位置された開放端（１３０）を有する。下流側ピトー管（１１４）は、ブラフボディ（１２８）内に摺動自在に係合され、下流側開口（１３６）内に位置された開放端（１３４）を有する。上流側ピトー管と下流側ピトー管との間の圧力差を測定するため、差圧センサ（１０６）が上流側ピトー管（１１２）と下流側ピトー管（１１４）に流体結合される。

Description

本発明は、工業プロセスにおけるプロセス流体の流れの測定に関する。特に、本発明は、流路の断面を測定することに関する。

工業プロセスにおいて、導管を通って流れているプロセス流体の流量を測定することは一般的である。一般的に、流量は、導管の断面を横切って変化する。したがって、流量の正確な測定値を得るためには、測定は、導管内の複数の異なった断面位置で行われなければならない。従来、このような断面での測定は、導管の直径に沿ってピトーを横断させることによって行われていた。横断に沿う複数の各位置で圧力が読み取られ、それらは、各位置における流速を決定するために使用される。

時には、ピトー横断は、平均ピトー管の出力を校正するために平均ピトー管が挿入される場所で実行される。平均ピトー管は、導管の断面を横切る管の上流側部分と管の下流側部分との間の平均圧力差を提供する。平均ピトー管は、一般的に、ピトー横断を実行するために使用されるピトー管とは異なる外形を有し、ピトー横断を実行するために使用されるピトー管とは異なる態様で流れに干渉する。その結果、ピトー横断は、平均ピトー管が存在するときの流路断面の精度のよい測定値を提供せず、これにより、正確な校正データを提供しない可能性がある。

上記の論議は、単に一般的な背景情報を提供するものであり、クレームされた技術的事項の範囲を決定するに際しての助けとして使用されることを意図するものでない。クレームされた技術的事項は、背景で注目された幾つかの、または全ての欠点を解決する手段に限定されるものでない。

導管における圧力を測定するための圧力測定システムは、導管内に延びているブラフボディを有する。このブラフボディは、上流側開口と下流側開口を有する。上流側ピトー管は、前記ブラフボディ内に摺動可能に係合されており、前記上流側開口内に位置された開放端を有する。下流側ピトー管は、前記ブラフボディ内に摺動可能に係合されており、前記下流側開口内に位置された開放端を有する。差圧センサは、前記上流側ピトー管と前記下流側ピトー管に流体結合され、前記上流側ピトー管と前記下流側ピトー管との間の圧力差を測定する。

ピトー横断アセンブリは、第１のピトー管と、第２のピトー管と、長さを持つブラフボディを備え、前記第１のピトー管と前記第２のピトー管は、前記ブラフボディ内で共に動くことができ、それにより、前記第１のピトー管の開放端と前記第２のピトー管の開放端を、前記ブラフボディの長さに沿う異なる位置に位置させることが可能である。

方法は、導管内にケースを固定することと、前記導管を通して流体を通過させることを含む。上流側ピトー管と下流側ピトー管は、前記ケース内で動かされ、前記ケース内の複数の位置で前記上流側ピトー管と前記下流側ピトー管との間の圧力差が決定され、これにより、前記導管の直径を横切る圧力差のプロフィルが確立される。

以上の要約は、簡単化された形態での概念を紹介するための与えられたものであり、以下では、詳細がさらに記述される。この要約は、クレームされた技術的事項のキーとなる特徴、あるいは本質的特徴を同定することを意図するものでなく、クレームされた技術的事項の範囲を決定するに際しての助けにとして使用されることを意図するものでもない。

導管内における流れの正確な断面を提供するため、以下に示された実施形態は、Rosemount Inc.によって提供されるアニュバ（Annubar登録商標）ハウジングのような、ピトー平均ハウジングの外形と同様の外形を有するブラフボディ内の二つの摺動可能なピトー管を提供する。これら二つのピトー管は、ブラフボディの長さに沿う異なる位置に位置するように、ブラフボディ内を一緒に摺動して移動できる。複数の各位置で差圧が感知され、それを使って各位置における流れの値を決定できる。いくつかの実施形態では、複数の位置における流れの値は、平均ピトーセンサによって生成される平均流れ値を校正するために使用される。本発明では、所望の如何なる形態のブラフボディでも使用でき、ここに例示された形態に限定されない。

ピトー管は、平均ピトーセンサのハウジングと同様の外形を有するブラフボディ内にあるので、平均ピトーセンサによって生起される流れの変化は、断面流れの測定に組み込まれる。したがって、得られた断面の流れ値は、流れの中に平均ピトーセンサが挿入されたときに存在する、断面の流れを、より正確に反映する。また、ピトー管は、ブラフボディ内に位置し、ブラフボディによって支えられているので、導管内の高速の流れによって歪められない。その結果、以下に記載される実施形態の摺動可能なピトー管は、高速の流れの流路の断面を提供するために使用することができる。

圧力測定システムの下流側から見た図である。 図１の圧力測定システムの上流側から見た図である。 センサ、コントローラおよび導管を取り除いて、図１および図２の圧力測定システムの側面を明瞭にした図である。 図１の線４−４に沿ったピトー横断アセンブリの断面上面図である。 ブラフボディ内の第１の位置にピトー管があるピトー横断アセンブリの右側断面図である。 ブラフボディ内の第２の位置にピトー管があるピトー横断アセンブリの右側断面図である。 ピトー横断アセンブリの拡大左側断面図である。 コントローラの一実施例のブロック図である。

図１は、一実施形態の圧力測定システム１００を下流側から見た図であり、図２は、上流側から見た図である。この圧力測定システム１００は、導管１０２上に据え付けられて、図１の紙面から出る方向に導管１０２を通過して流れるプロセス流体の圧力差を測定する。測定システム１００は、コントローラ１０４、差圧センサ１０６、インパルス配管１０８，１１０、摺動可能な上流側ピトー管１１２、摺動可能な下流側ピトー管１１４、ブレース(brace)すなわちホルダ１１６、センサフランジ１１８、ガスケット１２０、据え付けフランジ１２２、スタッドおよびナットアセンブリ１２４，１２６、およびブラフボディすなわち外部ケース１２８を含む。ピトー管１１２，１１４、ブレース１１６、センサフランジ１１８、ガスケット１２０、据え付けフランジ１２２、スタッドおよびナットアセンブリ１２４，１２６、およびブラフボディ１２８は、一体となってピトー横断アセンブリを形成する。図３は、ピトー横断アセンブリの側面図である。

ピトー管１１２は、図２に示されるように、ブラフボディ１２８内の上流側スロット１３２内に延びる開放端１３０を有する。ピトー管１１４は、図１に示されるように、ブラフボディ１２８内の下流側スロット１３６内に延びる開放端１３４を有する。ピトー管１１２，１１４の開放端１３０，１３４の位置は、ブラフボディの長さ１４０に沿って動かすことができる。長さ１４０に沿うそれぞれの位置において、開放端１３０，１３４は、流体の圧力にさらされ、それらの圧力は、ピトー管１１２，１１４を通り、さらにインパルス配管１０８，１１０を通って差圧センサ１０６に送られる。換言すれば、差圧センサ１０６は、インパルス配管１０８，１１０、およびピトー管１１２，１１４を通して開放端１３０，１３４に流体結合される。このように、長さ１４０に沿うそれぞれの位置で、開放端１３０は、差圧センサ１０６に上流側圧力を提供し、開放端１３４は、差圧センサ１０６に下流側圧力を提供する。差圧センサ１０６は、上流側圧力と下流側圧力とを用いて差圧信号を生成し、コントローラ１０４は、その差圧信号を用いて、長さ１４０に沿う開放端１３０，１３４の各位置での流れの値を決定する。一実施形態では、流れの値は、次式により決定される流速である。

ここで、Vは流速、ΔPは差圧センサ１０６による差圧、ρは流体密度である。

導管内の流れにおける変化によって、差圧センサ１０６によって測定される差圧は、一般的に、長さ１４０に沿う開放端１３０，１３４の位置が異なれば異なる。その結果、コントローラ１０４は、長さ１４０に沿う異なる位置に対して異なった流れ値を生成する。流れ値の収集結果は、導管１０２を通る流路の断面に対応させられる。

図４は、図１の線４−４に沿う、ブラフボディ１２８およびピトー管１１２，１１４の上側断面をより詳細に示す。図４に示されるように、この実施形態のブラフボディ１２８は、上流側端部４０２と下流側端部４０４を有するＴ型ボディである。下流側端部４０４は、好ましくは、封止された温度センサ用保護管(thermowell)４００を有し、この温度センサ用保護管４００は、流体および導管の温度を測定するための抵抗温度デバイスを収容することができる。図４に示されるように、ピトー管１１２は、隔離チャンバ４２０内に位置されていて、上流側方向に開放端１３０を形成している曲がった下端を有する。ピトー管１１４は、下流側方向に開放端１３４を形成している曲がった下端を有する。したがって、ピトー管１１２は、上流側ピトー管であり、ピトー管１１４は、下流側ピトー管である。隔離チャンバ４２０は、スロット１３２からスロット１３６へブラフボディ１２８を通る流れを防ぎ、それによって、上流側のピトー管１１２から下流側のピトー管１１４を良好に隔離する。

図５は、ピトー管１１２，１１４がブラフボディ１２８内の下方位置５００にあるピトー横断アセンブリの右側断面図を示し、図７は、その拡大左側断面図である。図５にはピトー管１１２と開放端１３０の断面が示され、図７にはピトー管１１４および開放端１３４の断面が示されている。

図６は、ピトー管１１２，１１４が上方位置６００にある右側断面図である。ピトー管１１２，１１４は、ピトー管１１２，１１４の一方、または、図１に示されるように、止めねじ１６０，１６２によってピトー管１１２、１１４の両方に取り付けられたブレース１１６に、上向きの力を加えることによって動かすことができる。このように、ブレースすなわちホルダ１１６は、ピトー管１１２，１１４と一致して動き、ピトー管１１２，１１４が互いに一致して動くことを確実にする。その結果、開放端１３０が新規の位置へ上方に動くと、下流側ピトー管１１４の開放端１３４は同じ量だけ上に動く。これにより、ピトー管１１２，１１４の開放端１３０，１３４は、導管１０２内の同じ断面位置に維持される。ブラフボディ１２８および導管１０２内における開放端１３０，１３４の位置は、ピトー管１１２の外側の印１７０（図１）を用いて決めることができる。印１７０は、ピトー管１１２上に示されているが、これに代えて、または、これに追加して、ピトー管１１４上に示されてもよい。

図５、図６および図７には示されていないが、インパルス配管１０８，１１０および差圧センサ１０６もピトー管１１２，１１４とともに上方と下方に動いて、インパルス配管１０８とピトー管１１２との間の結合、およびインパルス配管１１０とピトー管１１４との間の結合を維持する。当業者に認識されるように、可動支持構造は、このような動きに適合するように、差圧センサ１０６およびインパルス配管１０８，１１０を支持すればよい。他の実施形態では、コントローラ１０４もピトー管１１２，１１４とともに動いてもよく、コントローラ１０４を差圧センサ１０６と同じケース内に組み込んでもよい。

種々の実施形態では、ブラフボディのようなケースつまり外側ケース１２８は、導管１０２内に固定され、流体は導管を通過する。上流側ピトー管１１２と下流側ピトー管１１４は、ケース１２８内を動き、ケース１２８内の複数の位置で上流側ピトー管１１２と下流側ピトー管１１４との間の圧力差が決定され、それにより、導管１０２の直径を横切る圧力差のプロフィル(profile)が確立される。この圧力差のプロフィルは、複数の位置における流れ値を決定するために用いられる。上流側ピトー管１１２と下流側ピトー管１１４は、ブレースすなわちホルダ１１６によってケース１２８の外側に結合され、これによって、上流側ピトー管１１２と下流側ピトー管１１４は、一致して動く。上流側ピトー管１１２と下流側ピトー管１１４の少なくとも一方は、ケース内のピトー管の位置を指示するための印１７０を有する。ケースは、また、抵抗温度デバイスを収容可能な温度センサ用保護管を含み、これにより温度センサ用保護管の温度を測定できる。この温度は、流体の密度を決定して、流速などの流れ値を決定するときに使用される。ケースは、二つのスロット１３２，１３６を有し、上流側スロット１３２は、その中に位置する上流側ピトー管１１２の開放端１３０を有し、下流側スロット１３２は、その中に位置する下流側ピトー管１１４の開放端１３４を有する。

導管１０２の直径１８０を横切る種々の位置で決定された流れ値は、平均ピトーセンサの圧力の読みから生成される流れ値を校正するために用いることができる。一実施形態では、校正プロセスは、平均ピトーセンサのために要求された位置において、上述されたピトー横断を実行することによって開始される。ピトー横断が完了した後、ピトー横断アセンブリに代えて、流れ内に平均ピトーセンサが挿入される。

一般的に、平均ピトーセンサは、導管の直径を横切る複数の位置で流れに対して開口する一つ以上の上流側開口と下流側開口を含む。一実施形態では、上流側開口は、導管の直径の少なくとも一部分に沿って延びる複数のスロットであり、下流側開口は、導管の直径の少なくとも一部分に沿って間隔をあけて設けられている複数の孔である。複数の上流側開口は、平均ピトーセンサ内で流体結合されて平均上流側圧力を提供し、複数の下流側開口は、平均ピトーセンサ内で流体結合されて平均下流側圧力を提供する。平均上流側圧力と平均下流側圧力は、平均上流側圧力と平均下流側圧力との間の差圧に基づいて圧力差信号を生成する差圧センサに与えられる。この圧力差信号は、この圧力差信号を用いて平均流速のような平均流れ値を決定するコントローラに与えられる。平均流速は、次式により決定される。

ここで、V_avgは、平均流速であり、ΔP_avｇは、平均上流側圧力と平均下流側圧力の差圧であり、ρは、流体の密度である。

次に、平均ピトーセンサを元にして決定された平均流速を、ピトー横断の期間で形成された流速とともに使用して、校正値を生成する。一実施形態では、校正値は、次式により計算される。

ここで、kは、校正値であり、Viは、横断のi番目の位置において決定された流速であり、Nは、横断における位置の総数であり、V_avgは、平均ピトーセンサを使用して決定された平均流速である。

計算された校正値は、後に平均ピトーセンサによって生成される差圧から決定される流速、容積流量、および質量流量などの流れ値を校正するために使用することができる。

図８は、一実施形態に従うコントローラ１０４内の要素のブロック図である。コントローラ１０４は、電源８００、プロセッサ８０２、メモリ８０４、センサインタフェース８０６、通信インタフェース８１４、入力インタフェース８０８、ディスプレイコントローラ８１０、ディスプレイ８１２、通信バス８１６、および給電バス８１８を含む。一実施形態では、プロセッサ８０２、メモリ８０４、センサインタフェース８０６、入力インタフェース８０８、ディスプレイコントローラ８１０、および通信インタフェース８１４はそれぞれ、通信バス８１６に接続される。

電源８００は、コントローラ１０４に電力を供給するものであり、バッテリパック、外部電源に対する独立の接続部、もしくは電力と情報の双方を提供するループ通信システムに対する接続の形態を採ることができる。電源８００は、コントローラ１０４の各構成部分に接続されている給電バス８１８を通してコントローラ１０４の種々の構成部分に電力を分配する。別の実施形態では、電源８００上に与えられる電力量が制限されており、したがって、コントローラ１０４は、本質的に安全であり、危険環境において爆発を引き起こすことなく使用することができる。

センサインタフェース８０６は、差圧センサ１０６と抵抗温度センサから圧力と温度信号を受け取り、その信号をデジタル値に変換し、そのデジタル値を、バス８１６を通してプロセッサ８０２に与える。プロセッサ８０２は、その後の使用のためにセンサ値をメモリ８０４内に格納するか、あるいは、センサ値を直ちに使用して上述した流れ値の一以上を計算する。流れ値を計算した後、プロセッサ８０２は、その流れ値を、メモリ８０４内に格納してもよいし、通信インタフェース８１４を通して遠隔の処理部に送信してもよいし、さらに、または、ディスプレイコントローラ８１０を使ってディスプレイ８１２に表示させてもよい。

ディスプレイ８１２は、プロセッサ８０２によって生成された流れ値を表示することができる一以上のユーザインタフェースを提供する。さらに、ディスプレイ８１２を、ディスプレイ８１２上のタッチスクリーン、キーボードあるいはポインティングデバイスなどの入力装置とともに使って、導管内のピトー管の位置をユーザが指示できるようにしてもよい。入力装置からの信号は、プロセッサ８０２に入力値を与えるための入力インタフェース８０８により受け取られる。一実施形態では、ディスプレイ８１２上のユーザインタフェースは、選択可能なアイコンを与え、それにより、ユーザは、入力装置を使ってピトー管の現在位置を指定することができる。また、ユーザインタフェースは、指定された位置の現在の圧力の読み、および計算された流れ値を表示する。その他のユーザインタフェースの例には、導管を横切る流れの断面を示すグラフ、および平均ピトーセンサのために計算された校正値を示す面(field)が含まれる。

以上において、構成要素は、別々の実施形態として示され、あるいは記述されたが、各実施形態の部分は、上述された他の全ての実施形態または他の一部の実施形態に組み合わせてもよい。

構造的特徴および、または方法論的動作を特定する文言で技術的事項が記述されたが、添付のクレームで規定された技術的事項は、上述された特定の特徴、あるいは動作に限定されないことが理解されるべきである。むしろ、上述された特定の特徴、あるいは動作は、クレームを実行するための形態例として開示されているものである。一形態例では、ピトー管を取り去ることができ、そして、圧力ポートを平均ピトーセンサに結合することができる。場合によっては、個別の測定値よりもむしろ流れプロフィル上の平均差圧を得ることが望ましいこともる。また、ある形態では、例えば、設置に先立って、デバイスの製造中に校正が実施される。

１００・・・圧力測定システム、１０２・・・導管、１０４・・・コントローラ、１０６・・・差圧センサ、１０８，１１０・・・インパルス配管、１１２・・・上流側ピトー管、１１４・・・下流側ピトー管、１１６・・・ブレース(ホルダ)、１１８・・・センサフランジ、１２０・・・ガスケット、１２２・・・据え付けフランジ、１２４，１２６・・・スタッドおよびナットアセンブリ、１２８・・・ブラフボディ(外部ケース)、１３０，１３４・・・ピトー管の開放端、１３２・・・上流側スロット、１３６・・・下流側スロット、１４０・・・ブラフボディの長さ、１６０，１６２・・・止めねじ、１７０・・・印、１８０・・・導管の直径、４００・・・温度センサ用保護管、４０２・・・ブラフボディの上流側端部、４０４・・・ブラフボディの下流側端部、４２０・・・隔離チャンバ、５００・・・ブラフボディ内の下方位置、６００・・・ブラフボディ内の上方位置、８００・・・電源、８０２・・・プロセッサ、８０４・・・メモリ、８０６・・・センサインタフェース、８０８・・・入力インタフェース、８１０・・・ディスプレイコントローラ、８１２・・・ディスプレイ、８１４・・・通信インタフェース、８１６・・・通信バス、８１８・・・給電バス

Claims (20)

1. 導管内の圧力を測定するための圧力測定システムであって、
   導管内に延びていて、上流側開口と下流側開口を有するブラフボディと、
   前記ブラフボディ内に摺動可能に係合されていて、前記上流側開口内に位置された開放端を有する上流側ピトー管と、
   前記ブラフボディ内に摺動可能に係合されていて、前記下流側開口内に位置された開放端を有する下流側ピトー管と、
   前記上流側ピトー管と前記下流側ピトー管に流体結合されていて、前記上流側ピトー管と前記下流側ピトー管との間の圧力差を測定する差圧センサを備えた圧力測定システム。
2. 前記差圧センサは、
   前記上流側ピトー管と前記下流側ピトー管が前記ブラフボディ内の第１の位置にあるとき、第１の圧力差を測定し、
   前記上流側ピトー管と前記下流側ピトー管が前記ブラフボディ内の第２の位置にあるとき、第２の圧力差を測定する請求項１記載の圧力測定システム。
3. 前記上流側開口と前記下流側開口は、両方ともスロットである請求項１の圧力測定システム。
4. 前記上流側ピトー管と前記下流側ピトー管の少なくとも一方は、さらに、前記ブラフボディ内の自身の位置を指示する外側の印を備えた請求項１の圧力測定システム。
5. 前記上流側ピトー管と前記下流側ピトー管は、前記ブラフボディ内で一致して動くように、前記導管の外部のホルダによって結合された請求項１の圧力測定システム。
6. 前記ブラフボディは、Ｔ型ボディからなる請求項１の圧力測定システム。
7. 前記ブラフボディは、さらに温度センサ用保護管を備えた請求項１の圧力測定システム。
8. ピトー横断アセンブリであって、
   第１のピトー管と、
   第２のピトー管と、
   長さを持つブラフボディを備え、
   前記第１のピトー管と前記第２のピトー管は、両方とも前記ブラフボディ内で可動であり、それにより、前記第１のピトー管の開放端と前記第２のピトー管の開放端を、前記ブラフボディの長さに沿う異なる位置に位置させることが可能であるピトー横断アセンブリ。
9. さらに、前記ブラフボディ通して流体が流れるのを防ぐ隔離チャンバを備え、前記第１のピトー管は、前記絶縁チャンバ内に配置された請求項８のピトー横断アセンブリ。
10. 前記第１のピトー管の開放端が前記ブラフボディの第１のスロット内に配置され、前記第２のピトー管の開放端が前記ブラフボディの第２のスロット内に配置された請求項８のピトー横断アセンブリ。
11. 前記第１スロットが前記ブラフボディの上流側に配置され、前記第２スロットが前記ブラフボディの下流側に配置された請求項１０のピトー横断アセンブリ。
12. 前記ブラフボディが、さらに、封止された温度センサ用保護管を備えた請求項８のピトー横断アセンブリ。
13. 前記第１のピトー管と前記第２のピトー管に接続され、前記第１のピトー管と前記第２のピトー管を一致して動かすブレース(brace)を備えた請求項８のピトー横断アセンブリ。
14. 前記上流側ピトー管と前記下流側ピトー管の少なくとも一方は、前記ブラフボディ内の自身の位置を指示する外側の印を備えた請求項８の圧力測定システム。
15. 導管内にケースを固定すること、
    前記導管を通して流体を通過させること、
    前記ケース内で上流側ピトー管と下流側ピトー管を動かして、前記ケース内の複数の位置で前記上流側ピトー管と前記下流側ピトー管との間の圧力差を決定することを含み、
    これにより、前記導管の直径を横切る圧力差のプロフィルを確立する方法。
16. 前記上流側ピトー管と前記下流側ピトー管は、前記ケースの外側で一緒に結合され、それにより、それらが一致して動くようにされた請求項１５の方法。
17. 前記上流側ピトー管と前記下流側ピトー管の少なくとも一方は、自身の位置を指示する印を備えた請求項１５の方法。
18. 圧力差の前記プロフィルを使って、平均ピトーセンサの校正値を決定する請求項１５の方法。
19. 前記ケースは、前記上流側ピトー管の端部がその内部に位置された第１のスロットを備えた請求項１５の方法。
20. 前記ケースは、前記下流側ピトー管の端部がその内部に位置された第２のスロットを備えた請求項１９の方法。