JP2016531302A - ランジ付き縮径管継手型流量計 - Google Patents

Abstract

フランジ付きの渦流量計１０Ａは、当該渦流量計１０Ａの計測区域２２の内径ＤＭより大きい内径ＤＰを有したフランジ付き導管部１２及びフランジ付き導管部１４に結合される。渦流量計１０Ａは、入口から計測区域へと内径が減少するフランジ型流入部２０を有する。計測区域２２に配置された渦発生体２６は、渦流量計１０Ａを通過する流体の流速に比例する周波数で繰り返し渦を生成する。渦発生体２６において渦が発生し始める位置から、渦発生体２６の下流側において流路の径が拡大し始める位置までの距離ＬＭは、渦発生体２６によって生成される渦列の波長λより長い。【選択図】図４

Description

本発明は、フランジ付き縮径管継手型流量計に関するものであり、具体的には、渦流量計の計測区域の内径より大きな内径を有したフランジ付きの配管機構に対する渦流量計の連結に関するものである。

渦流量計は、産業プロセスの計測や管理の分野において、流体の流量を計測するために用いられる。渦流量計は、計測対象の流体を搬送する流路管に挿入されるのが一般的である。適用する産業には、石油産業、化学産業、パルプ製紙産業、資源素材産業、及び石油ガス産業が含まれる。渦流量計の作動原理は、カルマン効果として知られている渦の発生現象に基づくものである。流体が渦発生体を通過する際、この渦発生体は、渦発生体のそれぞれの側方から交互に下流側へと放出される渦を発生させる。これらの渦は、圧力が変動する領域を発生させ、渦発生体の内部または下流側に設けられたセンサによって、それらの領域が検出される。渦の発生周波数は、流体の流速に実質的に比例し、この比例関係は、導管のレイノルズ数に応じて変化する。導管のレイノルズ数は、流体密度、流速、流体損失、及び導管の内径の関数である。

配管系においては、当該配管系における動力損失を低減するため、レイノルズ数を低く維持することが望ましい。このような動力損失低減の要求により、配管系において、配管径の拡大や、流速の低減が行われることになる。

渦流量計においては、計測可能な流速の範囲が限られている。流速が、計測可能な流速範囲の下限値を下回るような流速の場合、正確な流量の表示を行うものとして渦流量計を信頼することができなくなる。

このことから、フランジ付きの配管機構にフランジを介して連結するようにした縮径管継手型渦流量計が開発された。この渦流量計における計測区域の内径は、当該渦流量計が連結された配管機構の内径よりも小さくなっている。上流側、即ち流入側の端部では、配管機構の内径から渦流量計の内径まで、流路が縮径、即ち収縮されている。下流側、即ち流出側の端部では、流路の内径を拡大し、流量計の下流側の配管機構の内径に合致させる必要がある。多くの場合、このような構造は、流量計の上流側端部のテーパ状縮径部、及び流量計の下流側端部のテーパ状拡径部によって得られる。

渦流量計は、上流側端部と下流側端部との間に延設された流路を有する流路管本体を備える。この流路は、６インチ（約１５０ｍｍ）を超える内径を有した計測区域を備えるのが好ましい。流路管本体の上流側端部と計測区域との間には、縮径区域が設けられる。この縮径区域では、計測区域の内径より大きい配管機構の内径から計測区域の内径まで内径が縮小される。計測区域には、流路を通過する流体の流速に関係した周波数で繰り返し渦を生成する渦発生体が配置される。渦発生体において渦が発生し始める位置から、渦発生体の下流側において流路の内径が拡大し始める位置までの距離は、渦発生体によって生成される渦列の波長より大きい。

従来の縮径管継手型渦流量計の断面図である。 図１の構成を有する８インチ（約２００ｍｍ）縮径管継手型渦流量計から得られたアナログ４−２０ｍＡ流量信号のデータを示すグラフである。 図１の構成を有する標準的な８インチ（約２００ｍｍ）縮径管継手型渦流量計から得られたオシロスコープのデータを示すグラフである。 本発明の縮径管継手型渦流量計の断面図である。 図１及び図４の構成をそれぞれ有する２つの８インチ（約２００ｍｍ）縮径管継手型渦流量計によって生成された流量信号の標準偏差を比較して示すグラフである。 図４の構成を有する８インチ（約２００ｍｍ）縮径管継手型渦流量計から得られたアナログ４−２０ｍＡ流量信号を示すグラフである。 図１及び図４にそれぞれ示す２つの縮径管継手型渦流量計の様々な流路の大きさについて、波長λに対する距離Ｌ_Ｍの比を示すグラフである。

図１は、導管部１２と導管部１４との間に取り付けられた従来の縮径管継手型渦流量計１０を示す図である。縮径管継手型渦流量計１０は、流路管１６とトランスミッタ１８とを備える。流路管１６は、上流側のフランジ型縮径部２０、計測区域２２、及び下流側のフランジ型拡径部２４を備える。流路管１６の計測区域２２内には、渦発生体２６及びセンサ２８が配設されている。導管部１２及び導管部１４は、計測区域２２の内径Ｄ_Ｍよりも大きな内径Ｄ_Ｐを有している。

フランジ型縮径部２０は、ボルト及びナット（図示せず）のような固定具により、導管部１２に取り付けられている。フランジ型縮径部２０は、縮径区域３０を備え、この縮径区域３０では、導管部１２の内径Ｄ_Ｐから計測区域２２の内径Ｄ_Ｍへと内径が減少しいていく。定径区域３２は、計測区域２２に合致する内径Ｄ_Ｍを有する。

フランジ型拡径部２４は、計測区域２２と導管部１４との間に位置する。フランジ型拡径部２４は、計測区域２２の下流側に位置する定径区域３４と拡径区域３６とを備え、この拡径区域３６は、定径区域３４の内径Ｄ_Ｍから導管部１４の内径Ｄ_Ｐへと内径が増大していくテーパ状に形成されている。フランジ型拡径部２４は、ボルト及びナット（図示せず）のような固定具により、導管部１４に取り付けられている。

図１において、プロセス流体が、導管部１２からフランジ型縮径部２０を通過して計測区域２２内に流動する。プロセス流体がフランジ型縮径部２０を通過する際には、流路の内径がＤ_ＰからＤ_Ｍへと減少し、プロセス流体の流速が緩やかに増大していく。

プロセス流体が渦発生体２６に衝突すると、カルマン効果による渦の発生が起きる。プロセス流体は、渦発生体２６のそれぞれの側方から交互に下流側へと放出される渦を形成する。これらの渦は、圧力が変動する領域を生成し、この変動圧力がセンサ２８によって検出される。トランスミッタ１８は、センサ２８からセンサ信号を受け取り、渦発生の周波数に基づく流量計測値を生成する。トランスミッタ１８の出力は、アナログ形式及びデジタル形式のいずれかで伝送される流量値となる。例えば、この流量値は、２線式ループを介した、４〜２０ｍＡの範囲のアナログ電流で示されるようにしてもよい。これに代えて、Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ（商標）フィールドバスのようなデジタル通信プロトコルを用いた通信バスにより、ＨＡＲＴ（登録商標）デジタルプロトコルを用いた２線式ループを介し、デジタル形式で伝送するようにしてもよいし、ＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ（登録商標、ＩＥＣ６２５９１）のようなワイヤレスプロトコルを用いて、ワイヤレス通信により伝送するようにしてもよい。

図１において、センサ２８は、渦発生体２６内に取り付けられるように示されている。別の実施形態として、渦発生体２６の前面より下流側となる位置に、渦発生体２６から分離してセンサ２８を配置するようにしてもよい。

プロセス流体は、引き続き、計測区域２２からフランジ型拡径部２４へと流動する。プロセス流体が拡径区域３６に達するまでは、フランジ型拡径部２４内で内径Ｄ_Ｍが変化しない。その後、フランジ型拡径部２４が導管部１４に接合する位置まで、拡径区域３６の内径が増大する。拡径区域３６では、内径がＤ_ＭからＤ_Ｐへと滑らかに変化していく。

図１に示すように、距離Ｌ_Ｍは、渦発生体２６の前面（流体が渦発生体２６に最初に衝突する位置）から拡径区域３６（計測区域２２の内径Ｄ_Ｍから導管部１４の内径Ｄ_Ｐに向けて拡大を開始する位置）までの距離である。

渦流量計は、様々な圧力範囲、及び段階的に標準化された公称パイプ径の大きさの範囲を含んだ、フランジ付きの配管機構に組み込まれるように設計されている。一般に、段階的な公称パイプ径には、０．５インチ（約１５ｍｍ）、１インチ（約２５ｍｍ）、１．５インチ（約４０ｍｍ）、２インチ（約５０ｍｍ）、３インチ（約８０ｍｍ）、４インチ（約１００ｍｍ）、６インチ（約１５０ｍｍ）、８インチ（約２００ｍｍ）、１０インチ（約２５０ｍｍ）、及び１２インチ（約３００ｍｍ）が含まれる。流量計１０のような縮径管継手型渦流量計は、当該渦流量計を組み込むプロセス配管機構の導管径Ｄ_Ｐから１段階分小さい計測区域の内径Ｄ_Ｍを有するのが一般的である。

特定の縮径管継手型渦流量計では、標準的なストレート流路タイプ（縮径部及び拡径部がないタイプ）の同等物に比べ、精度の低下及び信号安定性の低下を示すことがあることが判明した。このような精度及び信号安定性の低下は、縮径管継手型渦流量計の全長、特に渦発生体の前面から拡径が始まる位置までの距離Ｌ_Ｍが、計測区域の内径Ｄ_Ｍよりも短い場合に、大きな内径の縮径管継手型渦流量計ほど生じやすい。

測定結果は、渦発生体２６の下流にある拡径部が、渦発生信号の再現性に悪影響を及ぼす可能性があることを示している。図２は、図１に示す構成を有する８インチ（約２００ｍｍ）縮径管継手型渦流量計（即ち、Ｄ_Ｐ＝８インチ（約２００ｍｍ）、Ｄ_Ｍ＝６インチ（約１５０ｍｍ））から得られた計測流量を経過時間と共に表すアナログ４−２０ｍＡ信号を示しており、１フィート（約３００ｍｍ）／秒から２１フィート（約６４００ｍｍ）／秒までの範囲の流速に関して、これらの信号が示されている。図２は、４−２０ｍＡ信号に散発的な低下があることを示している。

図３は、図２のグラフを得るために用いたものと同じ８インチ（約２００ｍｍ）縮径管継手型渦流量計から得られたオシロスコープのデータを示している。図３には、センサからのアナログ信号と、そのアナログ信号に基づいて生成されたデジタルパルスとが示されている。このオシロスコープのデータは、渦発生信号の不安定性によってパルスの欠落が生じることにより、計測された流量値が不安定となる可能性があることを示している。

流体が面に沿って滑らかに流動するには急激すぎる径の拡大が、境界層の剥離や一時的な圧力勾配を引き起こす場合がある。このような圧力勾配は、渦流量計内部における上流側の動的な渦発生に悪影響を及ぼす可能性がある。

図４は、本発明の一実施形態である縮径管継手型渦流量計１０Ａを示している。縮径管継手型渦流量計１０Ａは、図１に示す従来の縮径管継手型渦流量計１０に類似しており、同様の構成部品には同じ参照符号が用いられている。図４に示す流路管１６Ａは、まっすぐなフランジ型流路部２４Ａを用いることにより、図１に示す流路管１６とは異なっている。図４に示すように、フランジ型流路部２４Ａは、計測区域２２から導管部１４までの全体にわたって延設される定径区域３４のみからなる。内径Ｄ_Ｍは、渦発生体２６の前面から、フランジ型流路２４Ａと導管部１４との接合面において初めて生じる内径の拡大の位置までの距離Ｌ_Ｍの全体にわたって一定となっている。

本発明は、距離Ｌ_Ｍが、渦発生体２６によって生成される渦列の波長に関係しているとの発見に基づいている。渦列の波長λは、縮径管継手型渦流量計１０Ａの較正範囲内における全ての流速について一定である。渦発生体２６の前面における渦発生の開始点から、渦発生体２６の下流側にある内径が拡大を開始する位置までの距離Ｌ_Ｍが、渦列の波長λ以上であれば、それぞれの渦が適正に生成される。一方、距離Ｌ_Ｍが波長λに満たなければ、渦に不安定性が生じる可能性がある。

従来の縮径管継手型渦流量計１０では、内径Ｄ_Ｍが６インチ（約１５０ｍｍ）以上の場合、波長λに対する距離Ｌ_Ｍの比が１未満となるため、不安定性が生じる可能性がある。即ち、６インチ（約１５０ｍｍ）以上の内径Ｄ_Ｍについては、従来の縮径管継手型渦流量計１０の距離Ｌ_Ｍが、渦発生体２６によって生じる渦列の波長λより短くなる。

縮径管継手型渦流量計１０Ａに必要な距離Ｌ_Ｍの値を定めるには、渦列の波長λを定める必要がある。以下に示すいくつかの式は、特定の渦流量計について、どのようにして波長λを定めることができるかを示すものである。

式中、λは渦列の波長、ｖは流速、ｆは渦発生周波数である。

式中、Ｋは、単位体積（ｖｏｌ）あたりのパルス数（ｐｕｌ）で示される、渦流量計のＫファクタ特性値である。

式中、ｔは時間である。

式中、Ａは計測区域の流路断面積である。

式（７）に示すように、Ｋファクタ及び計測区域２２の流路断面積がわかっていれば、渦列の波長が求められる。それぞれの渦流量計は、一般的に製造工場での較正により定められたＫファクタを有している。以下の演算を行うため、様々なサイズの渦流量計に関して公称のＫファクタ値を用いた。表１は、様々な縮径管継手型流量計についての、波長λをインチで示している。導管部の内径Ｄ_Ｐは１インチ（約２５ｍｍ）〜１２インチ（約３００ｍｍ）の範囲にあり、これに対応して流量計の内径Ｄ_Ｍが、それぞれ０．５インチ（約１５ｍｍ）〜１０インチ（約２５０ｍｍ）の範囲にある。

表１に示す波長によれば、従来の縮径管継手型渦流量計１０は、４インチ（約１００ｍｍ）までの内径Ｄ_Ｍについて、渦列の波長よりも長い距離Ｌ_Ｍを有する。一方、図１に示した、計測区域の内径Ｄ_Ｍが６インチ（約１５０ｍｍ）以上となる従来の縮径管継手型渦流量計の場合は、渦列の波長λが距離Ｌ_Ｍを上回る。

図５は、図１に示す従来の縮径管継手型渦流量計１０の構成を有する８インチ（約２００ｍｍ）縮径管継手型渦流量計によって生成された４−２０ｍＡ信号の標準偏差と、図４に示す縮径管継手型渦流量計１０Ａの構成を有する８インチ（約２００ｍｍ）縮径管継手型渦流量計によって生成された４−２０ｍＡ信号の標準偏差とを比較して示すグラフである。それぞれにおける流速を、２１フィート／秒（約６４００ｍｍ／秒）から１フィート／秒（約３００ｍｍ／秒）まで減らしていった場合に、それぞれの流量計が生成する信号の標準偏差が示されている。図５は、縮径管継手型渦流量計１０Ａによって生成された信号における標準偏差が、従来の縮径管継手型渦流量計１０によって生成された信号における標準偏差よりも常に小さくなることを示している。縮径管継手型渦流量計１０Ａによって生成された渦発生信号は、縮径管継手型渦流量計１０のものに比べ、５０％程度まで乱れが少なくなっている。

図６は、図４の縮径管継手型渦流量計１０Ａについて、４−２０ｍＡ信号を時間の経過と共に示している。図６を図２と比較することにより、図２に示す信号における欠落が、図６に示す信号にはないことがわかる。

図７は、１インチ（約２５ｍｍ）〜１２インチ（約３００ｍｍ）の公称パイプ径の範囲の様々な内径Ｄ_Ｐを有した縮径管継手型渦流量計１０及び縮径管継手型渦流量計１０Ａについて、渦列の波長λに対する距離Ｌ_Ｍの比を示すグラフである。図７に示すように、従来の縮径管継手型渦流量計１０は、６インチ（約１５０ｍｍ）の内径Ｄ_Ｐ（即ち、４インチ（約１００ｍｍ）の内径Ｄ_Ｍ）に達するまでのもののみが、１より大きい比を有している。８インチ（約２００ｍｍ）以上の内径Ｄ_Ｐ（即ち、６インチ（約１５０ｍｍ）以上の内径Ｄ_Ｍ）を有した縮径管継手型渦流量計は、いずれも波長λに対する距離Ｌ_Ｍの比が１未満となり、パルスの欠落を生じうるような不安定な渦発生となる可能性がある。

これに対し、本発明の縮径管継手型渦流量計１０Ａは、内径Ｄ_Ｐが１０インチ（約２５０ｍｍ）に達するまで、波長λに対する距離Ｌ_Ｍの比が、いずれも１以上となる。１０インチ（約２５０ｍｍ）及び１２インチ（約３００ｍｍ）（並びにそれ以上）の内径Ｄ_Ｐの場合の安定性の増大は、距離Ｌ_Ｍをわずかに増加させた縮径管継手型渦流量計１０Ａによって実現することが可能である。このような安定性の増大は、１０インチ（約２５０ｍｍ）の内径Ｄ_Ｐの場合、約０．２５インチ（約６ｍｍ）だけフランジ型流路２４Ａの長さを増大させることで、また１２インチ（約３００ｍｍ）の内径Ｄ_Ｐの場合、約２インチ（約５０ｍｍ）だけフランジ型流路２４Ａの長さを増大させることで、それぞれ達成することが可能である。

図４に示す定径領域３４Ａは、内径が一定の区域として示されているが、流体が面に沿って滑らかに流動するには急激すぎるような内径の拡大を生じることのない程度の極めて緩やかな傾斜で、定径区域３４Ａの内径を拡大してもよい。即ち、距離Ｌ_Ｍを波長λより長くするほかには、定径領域３４Ａの内径を実質的に一定とすればよい。縮径管継手型渦流量計１０Ａの入口側には、導管部１２と定径区域３２との間に、直線的なテーパを有した縮径区域３０が示されている。導管部１２の内径Ｄ_Ｐから計測区域２２の内径Ｄ_Ｍへの滑らかな変化を得るための別の形状を、フランジ型縮径部２０に適用することも可能である。

具体的な実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能であると共に、均等物で本発明の各構成要素を置き換えることが可能であることが当業者に理解されよう。また、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況やものを本発明の教示に適合させるための様々な変形が可能である。従って、本発明は、開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲内に包含される全ての態様を含むものである。

Claims (21)

1. 上流側端部と下流側端部との間に延設された流路を有し、前記流路が、内径Ｄ_Ｍの計測区域、及び前記上流側端部と前記計測区域との間にあって、前記内径Ｄ_Ｍより大きい前記上流側端部の内径Ｄ_Ｐから前記計測区域の内径Ｄ_Ｍまで内径が減少する縮径区域を有する流路管本体と、
   前記計測区域に配置され、前記流路を通過する流体の流速に関係した周波数で繰り返し渦を生成する渦発生体とを備え、
   前記渦発生体において前記渦が発生し始める位置から、前記渦発生体の下流側において前記流路の内径が拡大し始める位置までの距離Ｌ_Ｍが、前記渦発生体によって生成される渦列の波長λより長い
   ことを特徴とする渦流量計。
2. 前記内径Ｄ_Ｍは、６インチ（１５２．４ｍｍ）以上であることを特徴とする請求項１に記載の渦流量計。
3. 前記内径Ｄ_Ｍは、６インチ（１５２．４ｍｍ）であり、前記内径Ｄ_Ｐは、８インチ（２０３．２ｍｍ）であることを特徴とする請求項１に記載の渦流量計。
4. 前記距離Ｌ_Ｍは、６．６インチ（１６７．６ｍｍ）より長いことを特徴とする請求項１に記載の渦流量計。
5. 前記内径Ｄ_Ｍは、８インチ（２０３．２ｍｍ）であり、前記内径Ｄ_Ｐは、１０インチ（２５４ｍｍ）であることを特徴とする請求項１に記載の渦流量計。
6. 前記距離Ｌ_Ｍは、８．７インチ（２２１ｍｍ）より長いことを特徴とする請求項５に記載の渦流量計。
7. 前記内径Ｄ_Ｍは、１０インチ（２５４ｍｍ）であり、前記内径Ｄ_Ｐは、１２インチ（３０４．８ｍｍ）であることを特徴とする請求項１に記載の渦流量計。
8. 前記距離Ｌ_Ｍは、１１インチ（２７９．４ｍｍ）より長いことを特徴とする請求項７に記載の渦流量計。
9. 前記距離Ｌ_Ｍ及び前記波長λは、前記内径Ｄ_Ｍより長いことを特徴とする請求項１に記載の渦流量計。
10. 前記流路管本体は、前記上流側端部及び前記下流側端部に、配管接続用フランジを有することを特徴とする請求項１に記載の渦流量計。
11. 前記内径Ｄ_Ｍは、前記渦発生体から、前記流路管本体の前記下流側端部まで実質的に一定であることを特徴とする請求項１０に記載の渦流量計。
12. 上流側端部及び下流側端部、並びに前記上流側端部の内径Ｄ_Ｐから、６インチ（１５２．４ｍｍ）以上の計測区域の内径Ｄ_Ｍまで、内径が減少する流路を有する流路管本体と、
    前記流路に配置され、前記流路を通過する流体の流速に関係した周波数で繰り返し渦を生成する渦発生体とを備え、
    前記流路は、前記渦発生体の上流端を起点とする距離Ｌ_Ｍにわたり、実質的に一定の内径Ｄ_Ｍを有し、前記距離Ｌ_Ｍが、前記渦発生体によって生成される渦列の波長λより長い
    ことを特徴とする渦流量計。
13. 前記内径Ｄ_Ｍは、６インチ（１５２．４ｍｍ）であり、前記内径Ｄ_Ｐは、８インチ（２０３．２ｍｍ）であることを特徴とする請求項１２に記載の渦流量計。
14. 前記距離Ｌ_Ｍは、６．６インチ（１６７．６ｍｍ）より長いことを特徴とする請求項１２に記載の渦流量計。
15. 前記内径Ｄ_Ｍは、８インチ（２０３．２ｍｍ）であり、前記内径Ｄ_Ｐは、１０インチ（２５４ｍｍ）であることを特徴とする請求項１２に記載の渦流量計。
16. 前記距離Ｌ_Ｍは、８．７インチ（２２１ｍｍ）より長いことを特徴とする請求項１５に記載の渦流量計。
17. 前記内径Ｄ_Ｍは、１０インチ（２５４ｍｍ）であり、前記内径Ｄ_Ｐは、１２インチ（３０４．８ｍｍ）であることを特徴とする請求項１２に記載の渦流量計。
18. 前記距離Ｌ_Ｍは、１１インチ（２７９．４ｍｍ）より長いことを特徴とする請求項１７に記載の渦流量計。
19. 前記距離Ｌ_Ｍ及び前記波長λは、前記内径Ｄ_Ｍより長いことを特徴とする請求項１２に記載の渦流量計。
20. 前記流路管本体は、前記上流側端部及び前記下流側端部に、配管接続用フランジを有することを特徴とする請求項１２に記載の渦流量計。
21. 前記内径Ｄ_Ｍは、前記渦発生体から、前記流路管本体の前記下流側端部まで実質的に一定であることを特徴とする請求項２０に記載の渦流量計。

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