JP2016511426A - 接着ｐｔｆｅ電極を備えた磁気流量計 - Google Patents

Abstract

磁気流量計１０は、非導電性PTFEライナ１４を備えたパイプ１２と、磁場を発生させる磁気コイル１８A,１８Bと、パイプ１２の両側で流体に接触する電極１６A,１６Bとを含む。電極１６A,１６Bは、非導電性PTFEライナに接着された導電性PTFEパッチ電極３０A,３０Bを含み、各パッチ電極の内端はパイプ１２内を流れる流体に晒され、各パッチ電極の外端はパイプ１２の電極孔１２と整列されている。【選択図】図３

Description

本発明は一般的に流体の処理、特に流体の測定及び制御に関する。特に、本発明は磁気流量計に関する。

磁気流量計（又は磁気メータ）は、ファラデーの電磁誘導作用によって流体を測定する。流量計はコイル（単数又は複数）を励磁してパイプ部を横断する磁場を発生させ、該磁場はプロセス流体を横断する起電力(EMF)を誘起する。流速は誘起されたEMFに比例し、体積流量は流速及び流積に比例する。

一般的に、流体の電磁測定技術は、水ベースの流体、イオン性溶液及びその他の導電性液体の流れに適用可能である。特定の用途には水処理設備、高純度な薬の製造、衛生的な書品及び飲料の製造及び有害且つ腐食性のプロセス流を含む化学的処理が含まれる。また、磁気流量計は、研磨且つ腐食性のスラリーを利用した水圧破壊技術を含む炭化水素の燃料産業及びその他の炭化水素の抽出及び処理方法に用いられている。

磁気流量計は、（例えば、オリフィスプレート又はベンチュリ管に沿う）圧力降下のために差圧ベースの技術が適しない適用分野にて、迅速且つ正確な流体の測定を提供する。また、磁気流量計は、タービンロータ、渦励振要素又はパイロット管等の機械要素内へのプロセス流体の導入が困難又は実施不能であるときに使用される。

磁気流量計は、導管又はパイプを通じて流れる導電性の流体が該流量計によって発生された磁場内を通過して移動する際、流体の流れと直交する方向に流体を跨ぐ電圧を測定することで、流体の流量を決定する。電圧は２つの電極間で測定され、これら電極は流体と接触し且つパイプの両側に位置付けられている。パイプ壁は非導電性であるか又は導電性であるならば、流体の流れを跨いで発生される電圧の短絡を阻止するために、非導電性ライナを有していなければならない。

磁気流量計は、プロセス流体から送信器に電圧を伝える電極を必要とする。電極に関して、ユーザが所望する鍵となる特性の幾つかは、低い輪郭（低ノイズ）、低コスト、材料の適合性、耐被覆性（非付着性）、そして、広い圧力及び温度での実行レンジである。

オイル及びガスの産業分野への磁気流量計の適用は、磁気流量計のライニング及び電極が高圧に晒されるために挑戦的なものとなる。このことは特に、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)ライニングの場合である。何故なら、PTFEは「冷たい流れ」に対しては役立つものの、圧力及び温度の下で膨縮する。この結果、PTFEライナ及び電極が分離して、電極を汚すプロセス流体の漏れ経路が見出されることになる。

磁気流量計はパイプを含み、該パイプはその内面に非導電性PTFEライナを備えている。非導電性PTFEライナには複数の導電性PTFEパッチ電極が接着され、各パッチ電極の内端はパイプの内部に露出し、各パッチ電極の外端はパイプの電極孔と整列する。

ライナ及び電極アセンブリは、非導電性PTFEライナに接着された第１及び第２導電性パッチ電極を含む。パッチ電極の内端はライナの内面形状に一致している。

磁気流量計のブロック図である。 導電性PTFEパッチ電極を備えたPTFEライナの斜視図である。 PTFEライナ及び図２の導電性PTFEパッチ電極の断面斜視図である。 パッチ電極内に螺子付き成形インサートを備えたPTFEライナ及び導電性パッチ電極を示す断面図である。 パッチ電極内に一部が埋設された可撓性回路リボンを備えたPTFEライナ及び導電性パッチ電極の断面図である。 パッチ電極に接触するばね付勢の電極延長部を備えたPTFEライナ及び導電性パッチ電極を示す図である。 パッチ電極に接触するばね付勢の電極延長部を備えたPTFEライナ及び導電性パッチ電極を示す図である。

図１は磁気流量計１０を示し、該磁気流量計１０は主セクション（即ち、流路管）１０A及び副セクション（即ち、送信器）１０Bを含む。流路管１０Aはパイプ１２、絶縁ライナ１４、電極１６A,１６B及び磁場コイル１８A,１８Bを有する。

流路管１０Aの主要機能は、測定される流体の速度に比例した電圧を発生することである。磁場コイル１８A,１８Bはこれらコイルを通じて電流が流れることで励磁されて磁場を発生する。コイル駆動電流の方向は周期的に逆転され、こにより、磁場コイル１８A,１８Bによって発生される磁場はその方向が変更される。流路管１０Aの内部を通じて流れるプロセス流体は、流体内に電圧を誘起する流動導体として機能する。流路管１０Aの内周面に面一にして取り付けられた電極１８A,１８Bは、導電性のプロセス流体に電気的に接触した状態にあり、流体に存在する電圧を取り出す。電圧の短絡を防止するため、流体は電気絶縁材料内に収容されていなければならない。パイプ１２が金属管であるとき、絶縁はライナ１４によって提供され、該ライナ１４はポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等の非導電性材料である。

送信器１０Bは電極１６A,１６B間に発生した電圧を判断し、監視又は制御システムに標準化信号を送信する。送信器１０Bは、信号処理装置２０、デジタル処理装置２２、コイルドライバ２４及び通信インタフェース２６を含む。信号の変換、調整及び送信は送信器１０Bの基本的な機能である。

コイル駆動電流（AC又はパルス化DC）はコイルドライバ２４によってコイル１８A,１８Bに供給される。駆動電流はコイル１８A,１８Bを励磁し、プロセス流体を横断する磁場が発生される。磁場は電極１６A,１６Bによって検出可能なEMFを誘起する。流路管１０Aを通じての流体の流速はEMFに比例する。

信号処理装置２０は電極１６A,１６Bに接続されている一方、アースされている。アース接続はパイプ１２に対してなされるか、又は、フランジ或いは該パイプの上流又は下流のパイプ部分に対してなすこともできる。信号処理装置２０は電極１６Aでの電位VA、そして、電極１６Bでの電位VBを監視する。信号処理装置２０は電極１６A,１６B間の電位差を表す電圧を発生し、電極電圧を表すデジタル信号に変換する。デジタル処理装置２２は信号処理装置２０から受け取ったデジタル信号に信号処理及びグルーミングを更に実行する。デジタル処理装置２２は、流体に関する測定値を通信インタフェース１６に供給し、該通信インタフェース２６はその値を監視又は制御システム（図示しない）に伝達する。通信インタフェース２６による伝達は、４〜２０mA間で変化するアナログの電流レベル、デジタル情報が４〜２０mAの電流で調整されるHART（登録商標）通信プロトコル、デジタルバス上でのフィールドバス(Fieldbus)又はプロフィバス(Profibus)通信プロトコル、又は、例えばワイヤレスハート(WirelessHART(IEC62951))等の無線プロトコルを使用した無線ネットワーク上での無線通信の形態をとることができる。

耐久性及び化学的な攻撃に対する優れた耐性を得るため、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)は磁気流量計のライナにとって一般的な材料選択である。磁気流量計へのPTFEライナの使用が挑戦されたとき、ライナが電極に対して位置ずれし、電極回りでのプロセス流体の漏れ又は導電性パイプの壁に対する電極の短絡を発生させる可能性がある。これらの課題は、オイル及びガスの産業分野で要求されている高圧仕様の磁気流量計にとって特に挑戦的なものとなる。PTFEは圧力及び温度下にて膨縮し、電極アセンブリに対するPTFEライナの位置ずれは問題となる。

本発明は、非導電性PTFEライナに接着された導電性PTFEパッチ電極を使用した解法を提供することにある。導電性PTFEパッチ電極は炭素粒子（グラファイト）で含浸され、３０KΩよりも小さい抵抗を有する。導電性PTFEパッチ電極は非導電性PTFEライナの孔に合致する形状を有することができ、これにより、導電性PTFEパッチ電極は、その内端面がPTFEライナの内面形状に一致し、その外端面がPTFEライナの外面形状に一致した状態で、孔内に密嵌する。導電性PTFEパッチ電極及び非導電性PTFEライナは接着剤としてのPFAを使用して一緒に接着可能である。これらは全体として、磁気流量計を貫通するポリマ製の単一の流路隔壁を形成する。PTFEパッチ電極及びPTFEライナは互いに接着されて一緒に動き、冷たい流れが漏れを引き起こすことはない。

図２及び図３は本発明の一実施形態を図解する。図２において、PTFEパッチ電極３０は非導電性PTFEライナ１４内に示されている。図３はライナ１４及びパッチ電極３０での拡大断面図を示す。本実施形態において、パッチ電極３０はライナ１４のテーパ孔３２に合致する円錐台形状を有する。パッチ電極３０の内端３４は細い側の端となり、ライナ１４の内面と面一である。パッチ電極３０の外端３８はライナ１４の外面４０と面一である。薄いPFA層４２は孔３２の壁を一面に覆い、パッチ電極３０の周壁と孔３２の壁との間の接着剤として働く。

本実施形態において、薄いPFA層はパッチ電極３０の外端３８及びライナ１４の外面の一部を覆い、パッチ電極３０の外端を囲んでいる。層４４は導電性パッチ電極３０を覆う絶縁隔壁として働き、これにより、パッチ電極３０はパイプ１２の導電性内壁に対して短絡しない。

パッチ電極３０とパイプ１２の外面との間には電気的な接続が提供されなければならない。該電気的な接続は多様に異なるやり方で提供可能である。図４は、ライナ１４及び互いに１８０°離れて位置付けられたパッチ電極３０A,３０Bの断面図である。

本実施形態において、パッチ電極３０Aは螺子付き成形インサート５０Aを含み、パッチ電極３０Bは螺子付き成形インサート５０Bを含む。ライナ１４がパイプ１２内に位置付けられ、そして、パッチ電極３０A,３０Bはパイプ１２を貫通する電極孔（又はトンネル）に合致される。パッチ電極３０A,３０Bへの電気接続は電極延長部５１A,５１Bを介してなされ、これら電極延長部５１A,５１Bは電極孔を貫通して延び、インサート５０A,５０Bにそれぞれねじ込まれる。

図５は他の実施形態を図解する。可撓性回路リボン５２A,５２Bは、パッチ電極３０A,３０Bに埋設された一端をそれぞれ有する。可撓性回路リボン５２A,５２Bはパイプ１２内の電極孔を貫通して延び、電極３０A,３０Bへの電気接続をそれぞれ提供する。

図６Ａ及び図６Ｂは他の実施形態を示し、ここでは、電極延長部５４がばね付勢されたピン又はプローブ５６を含み、該ピン又はプローブ５６がパッチ電極３０との接触をなす。ピン５６は図６Ａに見ることができ、図６Ａは低い圧力／温度の条件下での電極延長部５４、ライナ１４及びパッチ電極３０の相対位置を示す。図６Ｂは高い圧力／温度の条件の下でのライナ１４、パッチ電極３０及び電極延長部５４を示す。

図６Ａは単一のばね付勢ピン（ピン５６）を備えた電極延長部５４を示しているが
他の実施形態では、パッチ電極３０との接触面積を増加させるため、多数のばね付勢ピンを使用することもできる。

パッチ電極３０との電気的な接触をなすには、パッチ電極３０とパイプを貫通する電極孔又はトンネルとの間の整列（アライメント）がなされていなければならない。パイプ１２内にライナ１４を挿入する前には、パッチ電極３０A,３０Bの外端３８を覆うPFA保護層４４の小さな領域がパッチ電極３０A,３０Bと電極延長部５４A,５４Bとの間の電気的な接続を高めるために除去可能である。

非導電性PTFEライナの孔に接着された導電性PTFEパッチ電極の使用は、多くの重要な利点を提示する。第１に、PTFEパッチ電極はライナに嵌合し、パッチ電極の内面はライナの内面に合致する。このような低い輪郭をなす電極の幾何学的構成は流体が完全に乱されないことを意味する。このことは、ノイズを低減し、流量計の正確さを改善する。第２に、導電性PTFEパッチ電極は非導電性PTFEライナに接着され、流量計を通じて流れるプロセス流体に対する不浸透性隔壁を形成する。全体として、パッチ電極及びライナは漏れの観点からみて事実上分離不能である。

本発明は例示の実施形態を参照して記述されているが、本発明の範囲から逸脱することなく、多様な変更が可能で、そして、構成要素の等価物への置換が可能であることを当業者は理解している。付け加えて、本発明の本質の範囲を逸脱することなく、特別な状況な状況や材料に本発明の教示を適応させるべく多様な改良をなすことができる。それ故、本発明は開示された特定の実施形態に限定されず、添付の特許請求の範囲内の全ての実施形態を含むものである。

Claims (20)

1. パイプと、
   前記パイプの外面に隣接して位置付けられた磁気コイルと、
   前記パイプの内面を覆う非導電性ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)ライナと、
   前記非導電性PTFEライナに結合された導電性PTFEパッチ電極であって、該パッチ電極の内端がパイプの内部に露出され、前記パッチ電極の外端が前記パイプの電極孔に整列されている、導電性PTFEパッチ電極と
   を具備した磁気流量計。
2. 前記導電性PTFEパッチ電極は前記外端に螺子付き成形インサートを含む、請求項１に記載の磁気流量計。
3. 前記電極孔を貫通して延び、前記螺子付き成形インサートにねじ込まれることで、前記パッチ電極から前記パイプの外部の電気回路への電気接続を提供する電極延長部を更に具備する、請求項２に記載の磁気流量計。
4. 前記パッチ電極に埋設された第１端を有し、且つ、前記電極孔を貫通して第２端に延びる可撓性電気導体を更に具備する、請求項１に記載の磁気流量計。
5. 前記導電性PTFEパッチ電極は前記非導電性PTFEライナにPFAによって接着されている、請求項１に記載の磁気流量計。
6. 前記導電性PTFEパッチ電極は３０KΩよりも小さい抵抗を有する、請求項１に記載の磁気流量計。
7. 前記パッチ電極の前記外端に結合された薄いPTA膜が前記パイプと前記パッチ電極とを電気的に絶縁する、請求項１に記載の磁気流量計。
8. 前記パッチ電極に係合するばね付勢プローブを有する電極延長部を更に具備する、請求項１に記載の磁気流量計。
9. 前記パッチ電極は円錐台形状を有する、請求項１に記載の磁気流量計。
10. 前記パッチ電極の前記内端は前記外端よりも小径である、請求項９に記載の磁気流量計。
11. 磁気流量計のためのライナ及び電極のアセンブリにおいて、
    非導電性ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)ライナと、
    前記非導電性PTFEライナに結合されて一体的なPTFEチューブを形成する第１及び第２導電性PTFEパッチ電極であって、前記導電性PTFEパッチ電極の内端が前記非導電性PTFEライナの内面に合致する、第１及び第２導電性PTFEパッチ電極と
    を具備したライナ及び電極のアセンブリ。
12. 前記各PTFEパッチ電極は外端に螺子付き成形インサートを含む、請求項１１に記載のアセンブリ。
13. 前記螺子付き成形インサートに接続されて前記パッチ電極への電気接続を提供する電極延長部を更に具備する、請求項１２に記載のアセンブリ。
14. 前記パッチ電極に埋設された端を有した可撓性電気導体を更に具備する、請求項１１に記載のアセンブリ。
15. 前記導電性PTFEパッチ電極は前記非導電性PTFEライナにPFAによって接着されている、請求項１１に記載のアセンブリ。
16. 前記導電性PTFEパッチ電極は３０KΩよりも小さい抵抗を有する、請求項１１に記載のアセンブリ。
17. 前記パッチ電極の外端を覆って接着された薄いPFA膜を更に具備する、請求項１１に記載のアセンブリ。
18. 前記パッチ電極と係合するばね付勢プローブを備えた電極延長部を更に具備する、請求項１１に記載のアセンブリ。
19. 前記パッチ電極は円錐台形状を有する、請求項１１に記載のアセンブリ。
20. 前記パッチ電極の前記内端は他端よりも小径である、請求項１９に記載のアセンブリ。

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