JP2018519520A - 現場での自動自己洗浄を有する磁気流量計 - Google Patents

Abstract

磁気流量計は、流量計電子機器と、プロセス流体流れを受けるように構成された流管とを含む。流管は、プロセス流体に接触するように内径に近接して配置された複数の電極を有する。少なくとも１つの超音波トランスデューサは、流管内部に配置され、超音波エネルギを、少なくとも１つの電極に近接したプロセス流体に結合するように構成される。流量計電子機器は、複数の電極と少なくとも１つの超音波トランスデューサとに結合され、少なくとも一部の電極被覆またはビルドアップを検出し、少なくとも１つの超音波トランスデューサを用いて、流管内部の洗浄サイクルを応答して発生させるように構成される。

Description

［背景技術］
磁気流量計（またはマグメータ）は、ファラデーの法則、電磁効果の適用によって流れを測定する。磁気流量計は、励磁電流を、電気絶縁された導電性プロセス流体流れ全体にわたって磁場を発生させる界磁巻線を通過させることによって、１つ以上のコイルを励磁する。起電力（ＥＭＦ）は、磁場を横断して流れるプロセス流体によって発生する。この流体全体にわたる誘導電圧（電位）と、及びプロセス流体の残余に関する誘導電圧との両方が、流れているプロセス流体に接触する１つ以上の導電電極によって容易に測定されることができる。体積流量は、流速と流管の断面積とに比例する。流速は、電極電圧電位（ＥＶ）に正比例し、これは、誘導磁場強度（Ｂ）に正比例する。誘導磁場強度は、印加磁場（Ｈ）に比例すると仮定され、これは、励磁電流の大きさに直結する。このように、測定された電極電圧電位と、表示された体積流量との間には、直接の相関関係がもたらされる。

磁気流量計は、さまざまな導電性及び半導電性流体流れ測定環境において有用である。特に、水ベースの流体、イオン溶液及び他の導電流体の流れは、すべて磁気流量計を用いて測定されることができる。このように、磁気流量計は、水処理施設、飲料及び保健用食品生産、化学処理、高純度製剤に加えて、有害抗磁処理施設において見受けられることができる。

効率的に動作させるために、磁気流量計の電極間に延びる経路の導電性は、比較的高くなければならない。この経路の全抵抗は、流体全体及び電極表面の界面抵抗に直列に存在する流体自体の抵抗によって判定される。磁気流量計が比較的汚れた流体、例えば油またはスラッジを含む流体を測定すると、汚染物質が、場合によっては電極の活性面を被覆しそれに付着するおそれがある。この被覆は、電極の電気特性を変化させる可能性があり、被覆が蓄積すると、測定誤差を生じさせる界面抵抗を発生させる可能性がある。

特に磁気流量計が電極を被覆する傾向を有するゆっくりと動く液体を測定するために用いられる場合、磁気流量計の電極に超音波洗浄を用いることが周知である。超音波洗浄は、例えば、電極本体内または本体上に位置付けられ、超音波周波数発生器によって周期的に励磁される、圧電体円板の形状の超音波トランスデューサで構成され得る。

磁気流量計は、流量計電子機器と、プロセス流体流れを受けるように構成された流管とを含む。流管は、プロセス流体に接触するように内径に近接して配置された複数の電極を有する。少なくとも１つの超音波トランスデューサは、流管内部に配置され、超音波エネルギを、少なくとも１つの電極に近接したプロセス流体に結合するように構成される。流量計電子機器は、複数の電極と少なくとも１つの超音波トランスデューサとに結合され、少なくとも一部の電極被覆またはビルドアップを検出し、少なくとも１つの超音波トランスデューサを用いて、流管内部の洗浄サイクルを応答して発生させるように構成される。

図１本発明の実施形態による磁気流量計が有用である環境の概略図である。 本発明の一実施形態による磁気流量計のブロック図である。 本発明の一実施形態による磁気流量計の概略断面図である。 本発明の別の実施形態による磁気流量計の概略断面図である。 本発明の別の実施形態による磁気流量計の概略断面図である。 本発明の別の実施形態による磁気流量計の概略断面図である。 本発明の一実施形態による、電極被覆を検出し、現場での電極洗浄プロセスを発生させる方法のフロー図である。

図１は、磁気流量計１０２のための典型的な環境１００を図示する。磁気流量計１０２は、制御弁１１２にさらに結合する線１０４で図示されるプロセス配管に結合する。磁気流量計１０２は、プロセス内の配管１０４を通るプロセス流体流れに対する流量出力を提供するように構成される。そのような流体の例は、化学、パルプ、製薬及びほかの流体処理プラントにおけるスラリー及び液体を含む。

磁気流量計１０２は、流管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出力は、プロセス通信接続１０６を介して、制御器またはインジケータまでの比較的長距離にわたる伝送のために構成される。典型的な処理プラントでは、通信接続１０６は、デジタル通信プロトコルまたはアナログ通信信号のいずれかであることができる。同じかまたは付加的なプロセス情報は、無線通信、パルス幅または周波数出力、もしくは離散入出力（ＤＩ／ＤＯ）を介して利用可能にされることができる。システム制御部１１０は、人間のオペレータに向けて流れ情報を表示することに加えて、制御弁、例えば弁１１２を用いてプロセスを制御するために、プロセス通信接続１０６を経由して制御信号を提供することができる。

図２は、本発明の一実施形態による磁気流量計のブロック図である。磁気流量計１０２は、流管アセンブリ１０８を通る導電性プロセス流体の流れを測定する。コイル１２２は、コイル駆動部１３０から付与された励磁電流に応答して、流体流れ内に外部磁場を付与するように構成される。ＥＭＦセンサ（電極）１２４は、流体流れに電気結合し、付与された磁場、流速、及びノイズに起因して流体流れ内に発生した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、流量計電子機器１４３のマイクロプロセッサシステム１４８に、デジタル化されたＥＭＦ信号を提供する。マイクロプロセッサ装置１４８は、ハードウェア、ソフトウェア、またはそれらの組み合わせを通して、流速に関連する出力１５２を提供するために、ＥＭＦ出力１３４に対するデジタル信号処理機能を提供するように構成され得る。

マイクロプロセッサシステム１４８は、ファラデーの法則の適用において、上述したようなＥＭＦ出力１３４と流速との間の関係性に従って、流管１０８を通した流体の流速を計算する。

ここで、Ｅは、ＥＭＦ出力１３４に関連する信号出力１５２であることができ、Ｖは、流体の速度であり、Ｄは、流管１０８の直径であり、Ｂは、プロセス流体内の誘導磁場の強さであり、ｋは、比例定数である。マイクロプロセッサ装置１４８は、速度及び測定された磁場またはコイル電流を用いて、周知の手法に従って、プロセス流体の流れを計算する。デジタル・アナログ変換器１５８は、流量計電子機器１４３のマイクロプロセッサ装置１４８に結合され、通信バス１０６に結合するためのアナログトランスミッタ出力１６０を発生させる。デジタル通信回路１６２は、デジタルトランスミッタ出力１６４を発生させ得る。アナログ出力１６０及び／またはデジタル出力１６４は、プロセス制御器またはモニタに所望のように結合されることができる。

本発明の一実施形態によれば、磁気流量計１０２の流量計電子機器１４３は、診断要素１６６及び超音波駆動部１６８を含む。診断要素１６６は、マイクロプロセッサ装置１４８から分離されてもよく、またはその内部に組み入れられてもよい。診断要素１６６は、ハードウェア、ソフトウェア、またはそれらの組み合わせを介して、電極１２４のうちの１つ以上への付着物または他の物質の付着に対する診断表示を提供するように構成される。診断要素１６６は、電極被覆を示す診断出力を提供するために、電極１２４を測定するかまたはそれと相互作用するための任意の診断手法を使用することができる。一例では、診断手法は、米国特許第５，３７０，０００号によって使用されたものと同じであってもよく、その教示は磁気流量計における電極被覆の検出である。しかしながら、電極被覆に対する表示を提供することが可能である任意の他の好適な手法を用いることができる。診断要素１６６が、電極１２４のうちの１つ以上が一定のレベルの材料ビルドアップまたは少なくとも部分的な被覆を被っていると判断すると、流量計電子機器１４３は、応答して超音波駆動部要素１６８を始動させ、１つ以上の超音波トランスデューサ１７０に、流れているプロセス流体内部で超音波エネルギを発生させるように構成される。一例では、超音波トランスデューサ１７０は、圧電または磁歪要素であり得る。そのような構造の好適な例は、キロヘルツ範囲で動作するセラミックチタン酸ジルコン酸鉛要素である。

磁気流量計内の電極の超音波洗浄手法の使用は、米国特許第３，４７９，８７３号及び４，２８７，７７４号に提供されている。しかしながら、最新の磁気流量計は、電極への超音波トランスデューサの直接結合が好都合ではないような精度及び機械的完全性のものである。代わりに、本発明の実施形態は、概して、磁気流量計の流管内部で、超音波トランスデューサが電極に実際に接触することを可能にすることなく電極に近接して超音波エネルギを発生させるように選択された１つ以上の場所において、１つ以上の超音波トランスデューサを設ける。加えて、超音波トランスデューサ自体が、電極１２４が汚れたかもしれないときを推定して判定するための好適な診断要素、例えば診断回路１６６及び／または超音波駆動部１６８によって用いられることもできる。例えば、トランスデューサ１７０は、プロセス流体に接触した場合、その後トランスデューサが汚れるかまたは汚損すると、電極もまた汚損していると推定し得る。トランスデューサに対する固体の付着または他の汚染が、トランスデューサの質量を変化させるため、そのようなトランスデューサの共振周波数は、劇的に変化する。したがって、トランスデューサ１７０に異なる駆動周波数を付与し、トランスデューサの応答を測定するかさもなければ得ることによって、共振周波数の変換を測定することができる。これらの共振周波数の変化を用いて、電極被覆診断を推測することができる。またさらには、トランスデューサベースの診断を、従来の電極被覆ベースの診断と組み合わせて、現場での超音波洗浄が適切であるときの、よりロバストな表示を提供することができる。

一実施形態では、流量計１０２が電極の超音波洗浄を開始することになると、通常の流量計動作及びプロセス流情報の提供が止められる。このように、コイル１２２を介した磁場の発生が中止され、トランスデューサ１７０は、超音波駆動部１６８によって始動する。この自己洗浄操作は、所定時間の間続けることができるか、または、十分な洗浄が行われたかを判定するために、本プロセスを中止させることができ、電極被覆診断を発生させることができる。加えて、洗浄が必要とされる場合、超音波トランスデューサ１７０を再度始動させることができ、洗浄操作を継続させることができる。この繰り返される診断／洗浄サイクルは、所定時間が経過するまで継続させることができる。そのような所定時間の経過後、診断が依然として電極被覆を示す場合、マイクロプロセッサ装置１４８はその後、通信バス１０６を経由してプロセス制御器に、洗浄操作が成功していないこと、及び技術者の関与が必要とされることの表示を提供することができる。上述のように、本発明の実施形態は、概して、超音波トランスデューサを磁気流量計の１つ以上の電極にかなり接近して、しかしそれらから分離して設ける。

図３Ａは、本発明の実施形態による磁気流量計の概略断面図である。図示されるように、電極１２４は、互いに対向して流管１０８内部に配置される。電極１２４の各々は、電気絶縁ライナ１７２を通過し、その後流管１０８を通って流れるプロセス流体に接触する。電極１２４の各々は、それぞれの超音波トランスデューサ１７０の近くに位置付けられる。しかしながら、図３Ａに図示されるように、超音波トランスデューサ１７０は、各自の電極から物理的に分離される。現場での洗浄が流量計１０２によって行われているとき、各超音波トランスデューサ１７０は、超音波周波数でプロセス流体内部に動きを発生させる。この超音波エネルギは、プロセス流体に伝えられ、超音波励磁されたプロセス流体に、電極１２４の隣接する表面を洗浄させる。

図３Ｂは、本発明の別の実施形態による磁気流量計の概略断面図である。磁気流量計は、図１及び２に関して上記されたように、電子機器ハウジング１２０を含む。加えて、磁気流量計の流管１０８は、一対の直径方向に対向する電極１２４を含む。図３Ａに関して示された実施形態と同様に、図３Ｂは、およそ０及び１８０度で位置付けられた電極１２４を有する。しかしながら、反対に、単一の超音波トランスデューサ１７０が、およそ２７０度で位置付けられる。超音波トランスデューサ１７０は、電極１２４から半径方向に間隔を置かれているが、流管内部でのその軸方向位置のおかげで、電極１２４に近接して位置付けられることが依然として考えられる。現場での超音波洗浄が所望される場合、トランスデューサ１７０に、超音波周波数を有する移動を発生させる。この移動は、流管１０８内部のプロセス流体を励磁し、超音波励磁されたプロセス流体に電極１２４を洗浄させる。

図３Ｃは、本発明の別の実施形態による磁気流量計の概略断面図である。図３Ｃに図示されるように、各電極１２４は、隣接する一対の超音波トランスデューサ１７０を有する。図示された実施形態では、超音波トランスデューサの各対は、それぞれの電極から第１の半径方向に間隔を置かれた第１の超音波トランスデューサと、第１の半径方向に対向する第２の半径方向に間隔を置かれた第２の超音波トランスデューサとを含む。一実施形態では、第１及び第２の超音波トランスデューサは、それぞれの電極から等距離で間隔を置かれ得る。このように、２つの電極に対して、計４つの超音波トランスデューサ１７０が示される。付加的な超音波トランスデューサ１７０の利用によって、磁気流量計が、さらなる超音波エネルギをプロセス流内に結合し、困難な媒体により活発な超音波洗浄を提供することを可能にし得る。加えて、各電極１２４の上方及び下方の両方で超音波トランスデューサを利用することによって、超音波トランスデューサベースの診断方法を、単独で、または電極被覆診断手法と組み合わせてより効果的に用いて、現場での洗浄サイクルを発生させるための適切な時間を判定することを可能にし得る。

図３Ｄは、本発明の別の実施形態による磁気流量計の概略断面図である。図３Ｄは、トランスデューサが図３Ａに関して水平軸を中心として反転していることを除き、図３Ａに類似している。このように、各電極は、直径の反対側に配置される。図示された例では、直径は、０度の位置から１８０度の位置まで延びる。図３Ａ及び３Ｄに図示された実施形態では、超音波トランスデューサは、直径の反対側に配置される。例えば、図３Ｄでは、超音波トランスデューサは、約２０度に、すなわち０〜１８０度に延びる直径の上方に位置付けられる。他の超音波トランスデューサは、約２００度に、すなわち０〜１８０度に延びる直径の下方に位置する。

このように、図３Ａ〜３Ｃは、各種の構成オプションが、本発明の実施形態による磁気流量計の流管内に、１つ以上の超音波トランスデューサの装備を提供することができることを示す。加えて、ここまで説明してきた実施形態は、電極から半径方向に間隔を置かれた超音波トランスデューサを概して示してきたが、超音波トランスデューサが流体流れ（すなわち、上流）方向に間隔を置かれることができることがさらに意図される。

図４は、本発明の一実施形態による、電極被覆を検出し、現場での電極洗浄プロセスを発生させる方法のフロー図である。方法２００はブロック２０２で開始し、ここで、被覆検出が行われる。この被覆検出は、現在周知であるかまたは後に開発される任意の好適な電極被覆診断であることができる。加えて、または代替的に、１つ以上の超音波トランスデューサに対する被覆検出を用いて、流管内部の電極被覆を推測して判定することができる。

いったんブロック２０２の被覆検出が完了すると、ブロック２０４は、検出された被覆量が選択された閾値を上回るかを判定する。そうでない場合、制御は、選択された量の時間の後、ブロック２０２に戻る。このように、磁気流量計は、電極被覆検出を直接あるいは間接的に周期的に行い、検出された被覆厚さが選択された閾値を下回る場合、通常動作を継続する。しかしながら、検出された被覆厚さが選択された閾値を上回る場合、制御はブロック２０６に移り、ここで現場での電極洗浄操作が行われる。

ブロック２０６の現場での電極洗浄操作を行うために、流量計電子機器、例えばプロセッサ１４８は、超音波駆動部に、磁気流量計の流管内部の１つ以上の超音波トランスデューサ、例えば超音波トランスデューサ１７０に励磁させるように構成される。超音波トランスデューサのこの励磁は、超音波エネルギをプロセス流体内に結合させる。そして、プロセス流体自体は、電極、例えば電極１２４上で超音波洗浄媒体として用いられ、超音波励磁されたプロセス流体と直接接触する。

いったんブロック２０６の洗浄操作が完了すると、ブロック２０８は、特定量の時間以内、例えば１時間以内の洗浄操作数が完了したかを判定する。そうでない場合、制御はブロック２０２に戻り、ここで電極被覆の検出が再度行われる。このように、ブロック２０６の超音波洗浄操作が成功した場合、ブロック２０２における検出は、電極上の被覆が選択された閾値を下回り、動作が正常に継続していることを示す。しかしながら、現場での洗浄プロセスが電極上の材料を除去するかそうでなければ取り除くことを成功させていない場合、本方法は、特定量の時間以内の洗浄サイクル数が閾値に達するまで繰り返される。そのような場合、制御は、ブロック２１０に移り、ここで磁気流量計は、電極被覆に起因して警報状態が存在することをローカルに、遠隔的に、またはその両方で示す。このように、プロセスオペレータは、当該状態を警告され、磁気流量計は、もはや正確なプロセス流体流れ測定値を提供するために依拠されない。さらに、磁気流量計に技術者を派遣して、所望のように、流管を手動で洗浄し、及び／または欠陥のある要素を交換することができる。

好ましい実施形態を参照して本発明を説明してきたが、当業者においては、本発明の本質及び範囲から逸脱することなく、形式及び詳細に変更を加えてもよいことが認識されよう。

Claims (20)

1. プロセス流体流れを受けるように構成された流管であって、プロセス流体に接触するように内径に近接して配置された複数の電極を有する、流管と、
   前記流管内部に配置され、超音波エネルギを、少なくとも１つの電極に近接した前記プロセス流体に結合するように構成された、少なくとも１つの超音波トランスデューサと、
   前記複数の電極と前記少なくとも１つの超音波トランスデューサとに結合された流量計電子機器であって、少なくとも一部の電極被覆またはビルドアップを検出し、前記少なくとも１つの超音波トランスデューサを用いて、前記流管内部の洗浄サイクルを応答して発生させるように構成された、流量計電子機器と、を備える、磁気流量計。
2. 前記少なくとも１つの超音波トランスデューサが、複数の超音波トランスデューサを備え、各々の超音波トランスデューサが、それぞれの電極に近接して配置される、請求項１に記載の磁気流量計。
3. 各超音波トランスデューサが、それぞれの電極から半径方向に間隔を置かれる、請求項２に記載の磁気流量計。
4. 各超音波トランスデューサが、それぞれの電極から前記流管に沿って長手方向に間隔を置かれる、請求項２に記載の磁気流量計。
5. 複数の電極が、前記流管の直径上に互いに対向して配置される、請求項２に記載の磁気流量計。
6. １つの超音波トランスデューサが、前記直径の一方の側に配置され、別の超音波トランスデューサが、前記直径の他方の側に配置される、請求項５に記載の磁気流量計。
7. 前記少なくとも１つの超音波トランスデューサが、電極ごとに一対の超音波トランスデューサを含む、請求項２に記載の磁気流量計。
8. 超音波トランスデューサの各対が、それぞれの電極から第１の半径方向に間隔を置かれた第１の超音波トランスデューサと、前記それぞれの電極から前記第１の半径方向に対向する第２の半径方向に間隔を置かれた第２の超音波トランスデューサとを含む、請求項７に記載の磁気流量計。
9. 前記第１及び第２の超音波トランスデューサが、前記それぞれの電極から等距離で間隔を置かれる、請求項８に記載の磁気流量計。
10. 前記流量計電子機器が、電極被覆を検出するように構成された診断要素を含む、請求項１に記載の磁気流量計。
11. 前記流量計電子機器が、前記少なくとも１つの超音波トランスデューサに結合され、前記洗浄サイクル中に前記少なくとも１つの超音波トランスデューサを選択的に励磁するように構成された超音波駆動回路を含む、請求項１０に記載の磁気流量計。
12. 前記流量計電子機器が、前記診断要素に電位電極の被覆を周期的に評価させ、電極被覆が、所定の閾値を上回って検出されると、応答して前記超音波駆動回路を始動させるように構成されたプロセッサを含む、請求項１１に記載の磁気流量計。
13. 前記プロセッサが、前記診断要素に、前記洗浄サイクル後に電位電極の被覆を評価させるようにさらに構成される、請求項１２に記載の磁気流量計。
14. 磁気流量計のための流管であって、
    プロセス流体を受けるように構成された流導管と、
    前記流導管内部に配置され、前記流導管から前記プロセス流体を電気的に絶縁するように構成された電気絶縁ライナと、
    前記流導管内部に配置され、前記流管を通って流れるプロセス流体に接触するように構成された一対の電極と、
    少なくとも１つの電極に近接して前記流導管内部に配置された、少なくとも１つの超音波トランスデューサと、を備える、流管。
15. 前記少なくとも１つの超音波トランスデューサが、圧電材料で形成される、請求項１４に記載の流管。
16. 前記圧電材料が、チタン酸ジルコン酸鉛である、請求項１５に記載の流管。
17. 前記少なくとも１つの超音波トランスデューサが、磁歪材料で形成される、請求項１４に記載の流管。
18. 磁気流量計を操作する方法であって、
    所定のレベルを上回る電極被覆を検出することと、
    少なくとも１つの電極に近接して前記流量計の流管内部に配置された少なくとも１つの超音波トランスデューサを用いて、現場での超音波洗浄操作を応答して開始することと、を含む方法。
19. 前記現場での超音波洗浄操作の完了後、電極被覆を検出することと、前記電極被覆が依然として前記所定のレベルを上回る場合、現場での第２の超音波洗浄操作を応答して開始することとをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
20. 選択された時間量内で閾値回数の洗浄ステップが行われるまで前記検出及び洗浄ステップを繰り返すことと、応答して電極被覆に対する警報状態を示すこととをさらに含む、請求項１９に記載の方法。

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