JP2018537687A - コンパクトな流量計及び関連する方法 - Google Patents

Abstract

メータ電子機器(20)に接続されたセンサアセンブリ(10)を有する流量計(5)が提供される。センサアセンブリ(10)は、少なくとも１つのドライバ(104)と少なくとも１つのピックオフ(105)を備え、流量計はその中にプロセス流体を受け入れるように構成された第１のＤ字形状の導管(400A)と、同様にその中にプロセス流体を受け入れるように構成された第２のＤ字形状の導管(400B)を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、流量計に関し、特にコンパクトな流量計及び関連する方法に関する。

例えば、振動型デンシトメータ及びコリオリ流量計のような振動型センサが一般的に公知であり、流量計内の導管を流れる材料に関する質量流量及び他の情報を測定するのに用いられる。代表的な流量計は、全てJ.E Smithらに与えられた米国特許第4,109,524号、米国特許第4,491,025号、再発行特許31,450号に開示されている。これらの流量計は、直線形状または湾曲形状の１つまたは複数の導管を有する。例えば、コリオリ質量流量計の各導管構成は、単純な曲げ、ねじり、または結合タイプであってもよい一連の固有振動モードを有する。各導管は好ましいモードで振動するように駆動することができる。

材料は、流量計の入口側に接続されたパイプラインから流量計に流入し、導管を通って導かれ、流量計の出口側を通って流量計から出る。振動システムの固有振動モードは、導管と導管内を流れる材料の複合質量によって部分的に画定される。

流量計を通る流れが無ければ、導管に加えられる駆動力によって、導管に沿った全ての点が、同じ位相で、またはゼロの流れで測定される時間遅延である小さな「ゼロオフセット」で振動する。
物質が流量計を通って流れ始めると、コリオリ力により、導管に沿った各点が異なる位相を有するようになる。例えば、流量計の入口端の位相は中央のドライバ位置の位相より遅れ、出口端の位相は中央のドライバ位置の位相より先行する。導管上のピックオフは、導管の動きを表す正弦波信号を生成する。ピックオフからの信号出力は、ピックオフ間の時間遅延を決定するために処理される。２つ以上のピックオフ間の時間遅延は、導管を流れる材料の質量流量に比例する。

ドライバに接続されたメータ電子機器は駆動信号を生成してドライバを作動させ、ピックオフから受信した信号からプロセス材料の質量流量及び／又は他の特性を決定する。ドライバは多くの周知の構成の１つを含むが、流量計の業界では磁石と対向する駆動コイルが大きな成功を享受している。交流が駆動コイルに送られて、所望の導管振幅および周波数で導管を振動させる。ピックオフを、駆動装置の構成に非常に類似したマグネットおよびコイル構成として提供することも、当該技術分野において知られている。しかし、ドライバが運きを誘発する電流を受け取っている間、ピックオフはドライバによって与えられた運きを使用して電圧を誘起することができる。ピックオフによって測定される時間遅延の大きさは非常に小さく、しばしばナノ秒単位で測定される。従って、トランスデューサの出力を非常に正確にする必要がある。

従来技術の流量計は、一般的に２つの導管を利用し、夫々の導管が円形の断面積を有する。導管を通る最適な流量を維持するために、導管は特定の直径を有しなければならない。しかし、導管が互いに隣接して配置されるとき、２つの管の合わせた幅は入口管の幅よりも大きい。これにより、流量計はパイプラインよりも幅が広くなる。

従って、当該技術分野では、流量計の外形(profile)を小さくする方法及び関連する装置が必要とされている。流量計内の広い範囲の流量に対して正確な流量測定値を取得することができるように、なおコンパクトであるように、最小流体速度を維持する方法及び関連する装置が必要とされている。本発明は、円形断面を有する導管に対して可能であるよりも、互いに接近して配置されたＤ字形断面を有する導管を有する流量計のための方法及びび関連する装置を提供することによって、これらの問題及び他の問題を克服し、当該技術分野における進歩が達成される。

メータ電子機器に接続されたセンサアセンブリを有する流量計が、一実施形態に従って付与される。センサアセンブリは、少なくとも１つのドライバと少なくとも１つのピックオフを備える。センサアセンブリは、その中にプロセス流体を受け入れるように構成された第１のＤ字形状の導管と、その中にプロセス流体を受け入れるように構成された第２のＤ字形状の導管を備える。

流量計センサアセンブリ用の流れ導管が、一実施形態に従って付与される。流れ導管は、その中にプロセス流体を受け入れるように構成された第１のＤ字形状の導管と、その中にプロセス流体を受け入れるように構成された第２のＤ字形状の導管を備える。

流量計を形成する方法が、一実施形態に従って付与される。方法は、導管と少なくとも１つのドライバと導管に取り付けられる少なくとも１つのピックオフを備えるセンサアセンブリを付与するステップを備える。導管は、その中にプロセス流体を受け入れるように構成された第１のＤ字形状の導管と、その中にプロセス流体を受け入れるように構成された第２のＤ字形状の導管を備える。

態様
一態様に従って、メータ電子機器に接続されたセンサアセンブリを有する流量計が付与され、センサアセンブリは少なくとも１つのドライバと少なくとも１つのピックオフを備え、流量計はその中にプロセス流体を受け入れるように構成された第１のＤ字形状の導管と、その中にプロセス流体を受け入れるように構成された第２のＤ字形状の導管を備える。

好ましくは、各Ｄ字形状の導管の平坦部は、互いに近接して実質的に平行に配置される。
好ましくは、第１及び第２のＤ字形状の導管の組み合わされた幅は、入口パイプの幅以下である。
好ましくは、第１及び第２のＤ字形状の導管の合計幅に両導管の間の空間を加えた幅は、入口パイプの幅以下である。
好ましくは、Ｄ字形状の導管のβ値は、大凡0.8である。

一態様に従って、流量計センサアセンブリ用の流れ導管は、その中にプロセス流体を受け入れるように構成された第１のＤ字形状の導管と、その中にプロセス流体を受け入れるように構成された第２のＤ字形状の導管を備える。
好ましくは、各Ｄ字形状の平坦部は、互いに近接して実質的に平行に配置される。
好ましくは、流れ導管は第１及び第２のＤ字形状の導管の組み合わされた幅を有するように構成され、該組み合わされた幅は導管と流体が行き来可能に構成された入口パイプの幅以下である。
好ましくは、流れ導管は、第１及び第２のＤ字形状の導管の合計幅に両導管の間の空間を加えた幅が、導管と流体が行き来可能に構成された入口パイプの幅以下であるように構成される。
好ましくは、Ｄ字形状の導管のβ値は、大凡0.8である。

一態様に従って、流量計を形成する方法は、導管と少なくとも１つのドライバと導管に取り付けられる少なくとも１つのピックオフを備えるセンサアセンブリを付与するステップを備え、導管はその中にプロセス流体を受け入れるように構成された第１のＤ字形状の導管と、その中にプロセス流体を受け入れるように構成された第２のＤ字形状の導管を備える。
好ましくは、方法は各Ｄ字形状の導管の平坦部を付与するステップと、各Ｄ字形状の平坦部を、互いに近接して実質的に平行に配置するように位置決めするステップとを備える。
好ましくは、方法は第１及び第２のＤ字形状の導管を、両導管の組み合わされた幅が入口パイプの幅以下であるように形成するステップを備える。
好ましくは、方法は第１及び第２のＤ字形状の導管を、両導管の合計幅に両導管の間の空間を加えた幅が入口パイプの幅以下であるように形成するステップを備える。
好ましくは、Ｄ字形状の導管のβ値は、大凡0.8である。

図１は従来技術の振動センサアセンブリを示す。 図２は従来技術の導管と実施形態に従った導管との間の断面の比較を示す。 図３は実施形態に従った断面の外形を示す。 図４は実施形態に従った導管の斜視図を示す。 図５は図４の導管の平面図を示す。 図６は図４及び図５の導管の側面断面図を示す。

図１〜図６及び以下の説明は、当業者に、本出願の最良の形態を作成及び使用する方法を教示するための特定の例を示す。本発明の原理を教示する目的で、いくつかの従来の態様は単純化または省略されている。当業者であれば、これらの例から、本出願の範囲内に入る変形形態を諒解しよう。当業者であれば、下記に記載されている特徴を様々な方法で組み合わせて、本出願の複数の変形例を形成することができることを諒解しよう。結果として、本出願は、下記に記載されている特定の例には限定されず、特許請求の範囲及びその均等物によってのみ限定される。

図１は、コリオリ流量計の形態である従来技術の流量計5の例を示し、センサアセンブリ10と１以上のメータ電子機器20を備える。１つ以上のメータ電子機器20は、例えば、密度、圧力、質量流量、体積流量、積算質量流量、温度、及び他の情報などの流れ材料の特性を測定するためにセンサアセンブリ10に接続される。

センサアセンブリ10は、一対のフランジ101及び101'と、マニホールド102及び102'と、導管103A及び103Bとを含む。マニホールド102,102'は、導管103A,103Bの両端部に固定されている。マニホールド102,102'は、多数部品のアセンブリである。本実施例のフランジ101及び101'は、マニホールド102及び102'に取り付けられている。本実施例のマニホールド102,102'は、スペーサ106の両端に固定されている。スペーサ106は、本実施例においてマニホールド102及び102'の間の間隔を維持して、導管103A及び103B内の望ましくない振動を防止する。導管103A及び103Bは、マニホールド102及び102'から平行に外向きに延びている。センサアセンブリ10が流れ材料を運ぶパイプラインシステムに挿入されると、材料はフランジ101を通って入口パイプ120を介してセンサアセンブリ10に入り、入口マニホールド102を通過し、そこで材料の総量が導管103A及び103Bに入るように向けられ、導管103A及び103Bを通って流れて、出口マニホールド102'に戻り、そこでフランジ101'を通ってセンサアセンブリ10を出る。

センサアセンブリ10は、ドライバ104を含む。ドライバ104は、ドライバ104が駆動モードで導管103A、103Bを振動させることができる位置にて、導管103A及び103Bに取り付けられている。特にドライバ104は、導管103Aに取り付けられた第１のドライバ構成要素(図示せず)と、導管103Bに取り付けられた第２のドライバ構成要素(図示せず)とを含む。ドライバ104は、導管103Aに取り付けられたマグネットや、導管103Bに取り付けられた対向したコイルなど、多くの周知の構成のうちの１つを含むことができる。

本例において、駆動モードは、第１の位相外曲げモードであり、夫々曲げ軸Ｗ-Ｗ及びＷ’-Ｗ’の周りに実質的に同じ質量分布、慣性モーメント及び弾性係数を有する平衡システムを提供するように、導管103A及び103Bが選択され、入口マニホールド102及び出口マニホールド102'に適切に取り付けられる。本例において、駆動モードが第1の位相外曲げモードでは、導管103A及び103Bは、ドライバ104によって、夫々曲げ軸Ｗ-Ｗ及びＷ‘-Ｗ’を中心として反対方向に駆動される。交流の形態の駆動信号が例えばリード110を介して１つ以上のメータ電子機器20によって供給され、コイルを通過して両方の導管103A、103Bを振動させることができる。

示されるセンサアセンブリ10は、導管103A、103Bに固定される一対のピックオフ105、105’を含む。特に、第１のピックオフ要素(示されない)は導管103Aの上に位置し、第２のピックオフ要素(示されない)は導管103Bの上に位置する。記載された実施形態にて、ピックオフ105、105’は、導管103A、103Bの速度及び位置を表すピックオフ信号を生成する電磁検出器、例えばピックオフ磁石及びピックオフコイルとすることができる。例えば、ピックオフ105、105'は、経路111,111'を介して１つ以上のメータ電子機器にピックオフ信号を供給することができる。当業者であれば、導管103A、103Bの動きは、流れ材料の特定の特性、例えば、導管103A、103Bを流れる材料の質量流量及び密度に比例することを理解するであろう。

図１に示された従来例において、１以上のメータ電子機器20は、ピックオフ105、105’からピックオフ信号を受信する。経路26は、１つ以上のメータ電子機器20がオペレータとインターフェースすることを可能にする入力及び出力手段を提供する。１つ以上のメータ電子機器20は、例えば、位相差、周波数、時間遅れ、密度、質量流量、体積流量、積算質量流量、温度、メータ検証、圧力及び他の情報のような流れ材料の特性を測定する。特に、１以上のメータ電子機器20は、例えば、ピックオフ105,105'及び抵抗温度検出器（RTD）などの１以上の温度センサ107から１以上の信号を受信し、この情報を使用して、流れ材料の特性を測定する。

流量計の現在の設計実務は、約0.8の「ベータ比」を有することである。このベータ比(面積比とも言及される)は、導管103A、103Bの断面積と入口パイプ120の断面積の比に言及する。ベータ比βは、以下の様に決定される。
β＝α/Ａ (１)
ここで、β＝ベータ比
Ａ＝入口パイプの断面積
ａ＝導管の断面積
例えば、0.8のβの場合、導管の所与の断面積は、入口パイプの断面積の80％であるべきであるが、これに限定されない。これは、パイプ内の流体の速度を増加させ、流量計5をより敏感にする。0.8のβは一例に過ぎず、0.8より大きいまたは小さい他の値も考えられる。

所与の最大流量について、流量計の最適な性能のためには、導管の所定の最小断面積が必要である。単一の導管では最小の流量計の幅が可能となるが、単一の導管のみを有する流量計5はアンバランスであり、業界ではあまり成功していない。流量計のバランスを生成すべく、二重チューブの流量計が用いられる。しかし、２つの円形導管を互いに隣接して配置することにより、２つの導管が小さくても、流量計の寸法は単一の導管メータの寸法より大きくなる。これは図２に例示される。

図２は、流量計5の導管の３つの断面を示す。最上位の断面200は、内径φ_１を有する円形入口パイプ120を表す。中央の１組である断面202は、各々が内径φ_２を有する一対の円形導管103A、103Bを表す。最後に、最下位の横断面204は、一実施形態による一対のＤ字形状導管400A、400B(図4-図6参照)を表す。Ｄ字形状の導管400A、400Bは、平坦部206に沿って測定される断面φ_３を有する。Ｄ字形状の導管400A、400Bの利点を説明するために、仮想的な値が断面200、202、204に適用される。この実施形態では、入口パイプのφ_１が1.0インチであると仮定する。２つの標準的な二重導管構成のφ_２は夫々0.632インチであり、一実施形態によるＤ字形状の導管400A、400Bのφ_３は夫々0.894インチであると仮定する。従って、標準的な二重導管の断面202についての式（1）によれば、a=0.63及びＡ=0.78、従ってβ=0.8である。Ｄ字形状の導管の断面204について、a=0.63及びＡ=0.78、従ってβ=0.8である。標準的な二重導管のβ値とＤ字形状の導管のβ値は同じであることは明らかである。ここで、標準的な二重導管の間隔Ｓ_１とＤ字形状の導管の間隔Ｓ_２が等しいことを考える。この例において、Ｓ_１とＳ_２を0.106インチに等しいとする。従って、標準の二重導管の全幅Ｗ_１は1.37インチであり、入口パイプ120よりも0.37インチ大きい。有利なことに、Ｄ字形状の導管の全幅Ｗ_２は1.0インチであり、入口パイプ120の幅と同じである。これは、見込まれる流量計の厚さの大凡27％の減少に相当する。実際に、Ｄ字形状の断面を有する導管を有する流量計は、二重導管の流量計のバランスを犠牲にすることなく、単一の管流量計のコンパクトさを与えるために十分に近接して配置された導管を有することができる。

図３を見て、流れチューブのＤ字形状は、異なる実施形態において、断面形状にある程度の変動を有することができることを理解されたい。例えば、厳密な半円の形状300が考えられる。しかし、伝統的な文字「Ｄ」のような湾曲部分305を用いて接続された２つの実質的に垂直な小エッジ304を有する平坦な主エッジ206を有するＤ形状302も考えられる。台形形状の四辺形306も考えられる。曲線部309を有する台形状の断面308も考えられる。あらゆる実施形態において、角部310は或る角度、直角、半径、面取り等である。角部310の形状の組み合わせもまた、単一の断面形状内に考えられる。

図４乃至図６は、一実施形態によるＤ字形状の導管400を示す。流量計5において、これらのＤ字形状の導管400(第１の導管400A及び第２の導管400B)は、図１に示されるような従来技術の流量計の丸い導管103A、103Bを置換する。これらの図は曲がったＤ字形状の導管400を示しているが、直線状のＤ字形状の導管400も考えられる。図４は斜視図であり、図５は平面図であり、図６はＤ字形状の導管400の後面断面図である。流量計5の外形状を最小にするために、一対のＤ字形状の導管400の幅Ｗ_２は、各Ｄ字形状の導管400A、400Bの平坦部206を互いに隣接して配置することによって最小化され、平坦部206は、図２及び図４−図６に示すように、互いに実質的に平行である。

上述の本発明は、種々に調節された流れ導管に関連する様々なシステム及び方法を提供する。上述の様々な実施形態は、流量計、特にコリオリ流量計を指向しているが、本発明はコリオリ流量計に限定されるべきではなく、本明細書で説明される方法は、コリオリ流量計の測定能力の一部を欠く他のタイプの流量計、または他の振動センサと共に利用され得ることを理解されたい。

上記の実施形態の詳細な説明は、本出願の範囲内にあるべき、本発明者らによって企図されているすべての実施形態の包括的でない説明である。事実、当業者であれば、上述した実施形態の特定の要素は、さらなる実施形態を作成するために様々に組み合わせ、または、なくすことができ、そのようなさらなる実施形態が本出願の範囲及び教示の中に入ることは認識されよう。上述した実施形態は、本発明の範囲及び教示内の追加の実施形態を作成するために全体的にまたは部分的に組み合わせることができることも、当業者には諒解されよう。
以上のように、本発明の特定の実施形態または実施例が例示の目的で記載されているが、当業者にとって明らかなように、本発明の技術範囲内において、さまざまな変更が可能である。本明細書に記載の教示は他の振動センサにも適用可能であり、上記に記載された実施形態及び添付の図面に示された実施形態に限定されない。従って、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲から決定されるべきである。

Claims (15)

1. メータ電子機器(20)に接続されたセンサアセンブリ(10)を有する流量計(5)であって、
   センサアセンブリ(10)は、少なくとも１つのドライバ(104)と少なくとも１つのピックオフ(105)を備え、
   その中にプロセス流体を受け入れるように構成された第１のＤ字形状の導管(400A)と、
   その中にプロセス流体を受け入れるように構成された第２のＤ字形状の導管(400B)を備える、流量計(5)。
2. 各Ｄ字形状の導管(400A、400B)の平坦部(206)は、互いに近接して実質的に平行に配置される、請求項１に記載の流量計(5)。
3. 第１及び第２のＤ字形状の導管(400A、400B)の組み合わされた幅は、入口パイプ(120)の幅以下である、請求項１又は２に記載の流量計(5)。
4. 第１及び第２のＤ字形状の導管(400A、400B)の合計幅に両導管の間の空間(Ｓ_２)を加えた幅は、入口パイプ(120)の幅以下である、請求項３に記載の流量計(5)。
5. Ｄ字形状の導管(400A、400B)のβ値は、大凡0.8である、請求項３又は４の何れかに記載の流量計(5)。
6. 流量計(5)センサアセンブリ(10)用の流れ導管(400)であって、
   その中にプロセス流体を受け入れるように構成された第１のＤ字形状の導管(400A)と、
   その中にプロセス流体を受け入れるように構成された第２のＤ字形状の導管(400B)を備える、流れ導管(400)。
7. 各Ｄ字形状の導管(400A、400B)の平坦部(206)は、互いに近接して実質的に平行に配置される、請求項６に記載の流れ導管(400)。
8. 第１及び第２のＤ字形状の導管(400A、400B)の組み合わされた幅が、導管と流体が行き来可能に構成された入口パイプ(120)の幅以下であるように構成された、請求項６に記載の流れ導管(400)。
9. 第１及び第２のＤ字形状の導管(400A、400B)の合計幅に両導管の間の空間(Ｓ_２)を加えた幅が、導管と流体が行き来可能に構成された入口パイプ(120)の幅以下であるように構成された、請求項７又は８に記載の流れ導管(400)。
10. Ｄ字形状の導管(400A、400B)のβ値は、大凡0.8である、請求項８又は９に記載の流量計(5)。
11. 流量計を形成する方法であって、
    導管と少なくとも１つのドライバと導管に取り付けられる少なくとも１つのピックオフを備えるセンサアセンブリを付与するステップを備え、
    導管はその中にプロセス流体を受け入れるように構成された第１のＤ字形状の導管と、その中にプロセス流体を受け入れるように構成された第２のＤ字形状の導管を備える、方法。
12. 各Ｄ字形状の導管の平坦部を付与するステップと、
    各Ｄ字形状の平坦部を、互いに近接して実質的に平行に配置するように位置決めするステップとを備える、請求項１１に記載の方法。
13. 第１及び第２のＤ字形状の導管を、両導管の組み合わされた幅が入口パイプの幅以下であるように形成するステップを備える、請求項１１又は１２に記載の方法。
14. 第１及び第２のＤ字形状の導管を、両導管の合計幅に両導管の間の空間を加えた幅が入口パイプの幅以下であるように形成するステップを備える、請求項１３に記載の方法。
15. Ｄ字形状の導管のβ値は、大凡0.8である、請求項１３又は１４に記載の方法。
    

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