JP2019521350A - プロセス侵入が低減された渦流量計 - Google Patents

Abstract

渦流量計は、第１の端部と第２の端部とを有する流管を含む。第１の端部と第２の端部との間の流管内にはシェダーバーが配置されている。シェダーバーは、流管を流れる流体に渦を発生させるように構成されている。少なくとも１つのセンサが流管の外面に動作可能に結合されており、流管内の渦に起因する流管の個々の変形を検出するように構成されている。

Description

渦流量計は、流体の流量を測定するために工業プロセス制御分野で使用される。渦流量計は、典型的には、測定されるべき流体を運ぶ送り管又は導管に挿入される。工業用途には、例えば、石油、化学、パルプ製紙、鉱業材料、石油ガスが含まれる。

渦流量計の動作原理は、フォンカルマン効果として知られている渦発生現象に基づくものである。流体は、シェダーバー又は「ブラッフボディ」を通過する際に、分離され、ブラッフボディの各側に沿ってその背後に交互に発せられる小さい渦又は渦流を発生させる。これらの渦は、センサによって検出される変動する流れと圧力の領域を生じさせる。そのような渦を検出するために、例えば、力センサ、圧電式動圧センサ、又は差圧センサを含む多種多様なセンサが現在使用されている。渦発生の周波数は、本質的に流体速度に比例する。

渦流量計内の渦を感知するために現在使用されている渦センサは一般的に、比較的複雑であり、高価な設計を必要とし得る。さらに、センサ又は他の何らかの適切な構造体が渦と相互作用して検出するために流管に挿入されなければならないので、そのようなセンサは追加的な締結具及び強固なシールを必要とする。したがって、プロセス流体はそのような構造体と直接接触し、プロセス流体が漏れないようにするためにプロセス侵入自体が注意深くシールされなければならない。

渦流量計は、第１の端部と第２の端部とを有する流管を含む。第１の端部と第２の端部との間の流管内にはシェダーバーが配置されている。シェダーバーは、流管を流れる流体に渦を発生させるように構成されている。少なくとも１つのセンサが流管の外面に動作可能に結合されており、流管内の渦に起因する流管の個々の変形を検出するように構成されている。

先行技術による渦流量計の概略図である。 本発明の一実施形態による外部渦流形センサを有する流管の一部分の概略図である。 本発明の一実施形態による外部渦流形センサ及びフロー・ノイズ・センサを有する流管の概略図である。 本発明の一実施形態によるシェダーバーと圧電フィルムセンサとの相対的な位置決めを示す概略図である。 本発明の一実施形態による、シェダーバーと、シェダーバーの上流及び下流に配置された圧電フィルムセンサとの相対的な位置決めを示す概略図である。 本発明の一実施形態による渦流量計からの信号グラフである。 本発明の一実施形態による渦流量計からの信号グラフである。 より低い流体流量についての図４Ａ及び図４Ｂと同様のグラフである。 より低い流体流量についての図４Ａ及び図４Ｂと同様のグラフである。 渦周波数試験結果の測定及び渦周波数計算を示す図である。 渦周波数対流量を示すグラフである。 本発明の一実施形態による渦流量トランスミッタの概略図である。 本発明の一実施形態による任意選択の圧電フィルムセンサが接続された渦流量トランスミッタの概略図である。 本発明の一実施形態による、渦流感知及び、任意選択として、フローノイズに基づく流量速度出力を提供する方法の流れ図である。

図１は、先行技術による渦流量計の概略図である。渦流量計１００は、流体を運ぶ流管１０２を含む。流体流は、液体、気体、又はそれらの組み合わせ（飽和蒸気など）とすることができる。流管１０２は、一般的に、アセンブリが管部分の対応するフランジに固定されることを可能にする１対のフランジに取り付けられる。したがって、各フランジは、各フランジが流体配管系のそれぞれのフランジに取り付けられることを可能にする取付け穴（仮想線で示す）を含み得る。

図１に示すように、渦流量計１００は、流管１０２の上部から流管１０２の下部まで延在する流管１０２内に位置決めされたシェダーバー１１８を含む。さらに、流管１０２をその軸に沿って見た場合、シェダーバー１１８は通常、流管１０２の最上部の中心から流管１０２の最下部の中心まで延在する流管１０２の中心に配置されることになる。しかしながら、流管の内径全体に完全にまたがらないシェダーバーはもちろん、他の向きで位置決めされたシェダーバーを用いて渦流量計を実施することもできる。流体流がシェダーバー１１８を通過する際に、流体流に渦が発生する。これらの渦はフォンカルマン渦列と呼ばれる。流体流が感知装置１２６に近接した下流位置を通過する際に渦が存在する。渦は装置１２６と物理的に相互作用して微妙な動きを引き起こし、振動が装置１２６である。これらの動きは、センサ１２８のようなハウジング１３２内の電子回路１３０に電気的に結合されたセンサによって変換されるか又は別の方法で感知され得る。したがって、渦流量計は通常、流管アセンブリと電子回路アセンブリとを含み、これらは、組み合わさって、渦流量トランスミッタと呼ばれ得る。ハウジング１３２内の電子回路１３０は、一般的には、センサ信号を、プロセスコントローラやバルブコントローラなど、別の適切な装置に伝送するために出力リード線１４８に供給される標準化された伝送信号に変換する。

上記の図１から分かるように、以前の渦流量計の設計は、一般的に、渦を検出するか又は他の方法で感知するためにシェダーバーに近接して流管内に配置された構造体を提供する。よって、この構造体は、プロセス流体が流管１０２から漏出しないように、注意深く密閉されなければならない。さらに、プロセス流体は流管内に配置された構造体又はセンサと直接相互作用し、感知構造体に損傷又は摩耗を引き起こす可能性がある。

本発明の実施形態は、一般的に、構造体１２６などの内部渦感知構造体、又は他の種類のセンサを流管内から除去し、流管上で外から圧力脈動渦を測定又は検出する。一実施形態では、圧力脈動渦は、渦流量計の流管の外壁に取り付けられた複数の歪みを基準とした圧電フィルムセンサを使用して検出される。

図２Ａは、流体流内に配置されたシェダーバー１１８を有する流管１０２などの流管の一部分の概略図である。図２Ａに示すように、第１の圧電フィルムセンサ１５０は、シェダーバー１１８から見て流管１０２の第１の側に位置決めされている。第２の圧電フィルムセンサ１５２は第１の圧電フィルムセンサ１５０から見て流管１０２の反対側に配置されている。シェダーバー１１８の交互の側で渦が発生する際に、これらの流体渦は、それぞれの渦の衝突によって引き起こされた側壁の歪みを圧電フィルムが感知できる程度まで流管１０２の側壁と相互作用する。

図２Ｂは図２Ａと同様であり、同様の構成要素は同様の番号が付けられている。図２Ｂに示す実施形態と図２Ａに示す実施形態との主な違いは、少なくとも１つの上流側圧電フィルムセンサ１５４が追加されていることである。図示のように、センサ１５４は流管１０２のいずれかの側（一方又は両方）で、シェダーバー１１８の上流に位置決めされている。図２Ｂには単一の上流側圧電フィルムセンサが示されているが、本発明の実施形態は２つ以上の上流側圧電フィルムセンサを含むことが明白に企図されている。実際、そのような実施形態は、ノイズ成分の処理又は除去を単純化するために、上流側センサを下流側センサと一致させることを可能にし得る。

１つのコンピュータ解析では、圧電フィルムセンサが１μストレイン当たり１２ミリボルトに等しい機械・電気換算係数では、ブラッフボディ又はシェダーバーの対向する側の渦流量計の流管の変形は約２．５μストレインになり、そのような位置にある圧電フィルムからの出力電圧は約３０ミリボルトになると判断された。このシミュレーションを検証するために、圧電フィルムセンサを流管の対向する側に取り付けた、圧電フィルムセンサを有する大きさＤＮ８０（３インチ）の渦流量計を構築した。圧電フィルムのタイプは、Measurement Specialties, of Hampton, Virginiaから入手可能なタイプSDT1-028Kであった。

図３Ａは、本発明の別の実施形態による、シェダーバー１１８と圧電フィルムセンサ１５０、１５２との相対的な位置決めを示す概略図である。シェダーバー１１８は、流管１０２の中心線をおおよそ中心とするように位置決めされている。さらに、シェダーバー１１８は、取付けフランジ間の中点の直前に位置決めされている。図３Ａに示す実施形態では、流体は流管アセンブリの左側から右側に流れる。よって、図２Ａに示す実施形態とは対照的に、圧電フィルムセンサ１５０および１５２は、流管１０２の対向する側でシェダーバー１１８の下流に位置決めされている。

図３Ｂは図３Ａと同様であり、同様の構成要素は同様の番号が付けられている。図３Ｂに示す実施形態と図３Ａの実施形態との間の主な違いは、上流側圧電フィルムセンサ１５４を含むことである。図示のように、上流側圧電フィルムセンサ１５４は、シェダーバー１１８の上流に、流管１０２のいずれかの１つ（又は複数）の側で、位置決めされている。

図３Ａには一対の圧電フィルムセンサ１５０、１５２が示されているが、本発明の実施形態によれば流管１０２の外部変形又は歪みを感知するために異なる数の圧電フィルムセンサを使用することができることが明白に企図されている。例えば、単一の圧電フィルムセンサで、意味のある渦流周波数情報を提供するのに十分な変形を感知できる場合もある。これは、単一の圧電フィルムセンサが本質的に流管１０２の外周全体の周りに巻き付けられている場合に特に該当する。加えて、本発明の実施形態によれば、３つ以上の圧電フィルムセンサが使用されてもよい。例えば、図３Ｂに示すように、シェダーバー１１８の上流に配置された圧電フィルムセンサ１５４は、ある程度のコモン・モード・ノイズ低減を可能にし得る。例えば、上流側ポンプがプロセス流体において圧力変動を与えている場合、上流側センサは、管側壁に対するそのような変動の外乱を感知することができるので、下流側圧電フィルムセンサによって生成される信号からそれらの変動を除去することができるはずである。そのような除去は、任意の適切な方法で行うことができるが、一実施形態では、特定の周波数を減衰させ、又は下流側圧電フィルムセンサによって提供される信号から別の方法で除去することができるように、ポンプ脈動などの特定の周波数特性を識別するために上流側センサ信号のデジタル解析を含むことになる。

図４Ａ及び図４Ｂは、本発明の一実施形態による渦流量計からの信号グラフである。圧電フィルムセンサ１５０、１５２からの出力電圧Ｕｐｆ１及びＵｐｆ２を、それぞれ、マルチチャネル・デジタル・オシロスコープによって測定した。Ｕｐｆ１とＵｐｆ２との間の差に基づいて差信号ΔＵｐｆを計算した。高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を使用して渦の周波数を測定した。図４Ａに示すように、ΔＵｐｆは縦軸上にミリボルト単位で表されており、時間は、ミリ秒単位で、横軸上に表されている。さらに、図４Ｂに、毎時１３０立方メートルの流量についてのΔＵｐｆ信号の信号スペクトルを示す。図４Ｂから分かるように、いくつかの周波数ピークが示されている。第１の周波数ピークは、渦周波数に対応し、９５．３７Hzで示されている。加えて、より大きな周波数ピークが２００．２７Hzで示されている。２００．２７Hzのピークは、プロトタイプ試験で水を運ぶ１つ以上のポンプからの脈動流からの周波数である。前述したように、上流側圧電センサはポンプからの脈動などのフローノイズを確実に測定するはずであり、その解析は、本発明の実施形態に従って渦周波数を計算し、又は別の方法で測定するときに２００ヘルツの周波数範囲を無視すべきであることを示すはずである。

図５Ａ及び図５Ｂは、より低い流体流量についての図４Ａ及び図４Ｂと同様のグラフである。図５Ａ及び図５Ｂに示す試験では、毎時９０立方メートルの水流量を使用した。特に図５Ｂに示すように、信号スペクトルの周波数解析は、渦周波数である６６．７６Hzでピークを示す。毎時６０立方メートルと毎時３０立方メートルでの同様の解析は、それぞれ４７．６８Hzと３８．１５Hzの渦周波数を示した。これらの結果を渦計算と比較し、測定渦周波数に基づく様々な測定流量は、少なくとも図６Ｂに示す３つのより高い流量の試験については、計算渦周波数とおおむね一致した。図６Ａの表に、較正Ｋ因子渦流量計を使用して計算された渦周波数と比較した、試験結果からの測定された渦周波数を示す。試験で得られた渦周波数と計算値との比較は、流量に対する比較的線形の依存性を示している。

図７Ａは、本発明の別の実施形態による渦流量トランスミッタの概略図である。図７Ａに示すように、流管アセンブリは、シェダーバー１１８が内部に取り付けられている流管１０２を含む。加えて、図７Ａに示す実施形態では、１対の圧電フィルムセンサ１５０、１５２が、流管１０２の外側のシェダーバー１１８の向かい合う側で流管１０２の外に取り付けられている。

図７Ｂは同様の図７Ａであり、同様の構成要素は同様の番号が付けられている。図７Ｂに示す実施形態と図７Ａの実施形態との間の主な違いは、上流側圧電フィルムセンサ１５４を含むことである。図示のように、上流側圧電フィルムセンサ１５４は、流管１０２のいずれかの側（一方又は両方）で、シェダーバー１１８の上流に位置決めされている。

各圧電フィルムセンサ１５０、１５２、１５４は、トランスミッタ回路１３０の測定回路１６０に電気的に結合されている。測定回路１６０は、一般的に、流管側壁の脈動イベントを捕捉するのに十分な高さの帯域幅を有するように規定された１つ以上の適切なアナログ−デジタル変換器を含む。プロトタイプセンサに関する試験結果のいくつかに戻って、１０ミリ秒単位で２５個の測定値を変換することができる測定回路で適切な結果を得た。加えて、より高い帯域幅のセンサが使用される場合には、データの忠実度を高めるために複数のデータ点が平均化されてもよい。測定回路１６０はコントローラ１６２に結合されており、コントローラ１６２は、一実施形態では、マイクロプロセッサである。

マイクロプロセッサ１６２は、ハードウェア、ソフトウェア、又はそれらの組み合わせによって、測定回路１６０によって提供されたデジタル信号を解析し、渦周波数及び、任意選択として、フローノイズに基づいてプロセス流体の流量を提供するように構成される。上述したように、コントローラ１６２は、渦周波数を識別するために、かつ／又はノイズ若しくは誤りを引き起こし得る他の乱れの周波数を識別するために、渦センサ信号の高速フーリエ変換を行い得る。コントローラ１６２は、Highway Addressable Report Transducer（HART（登録商標））、FOUDATION（商標）Fieldbusなどの、任意の適切なプロセス通信プロトコルを使用してプロセス通信ループ又はセグメントと対話することができる通信回路１６４に結合される。加えて、渦流量計が無線で通信する実施形態では、通信回路１６４は、IEC62591（WirelessHART）によるものなどの無線プロセス通信プロトコルをサポートし得る。

流量計電子回路１３０は、回路１３０のすべての構成要素に適切な電力を供給する電力回路１６６も含む。渦流量計が導体１５８を介して有線プロセス通信ループ又はセグメントに結合されている実施形態では、電源モジュール１６６は、回路１３０の構成要素に動作電力を供給するために有線プロセス通信ループから電力を受け取り、適切に調整し得る。したがって、本発明のいくつかの実施形態は、それらが結合されているプロセス通信ループ又はセグメントによって完全に電力供給され得る。他の実施形態では、渦流量トランスミッタが有線プロセス通信ループ又はセグメントに結合されていないとき、電源モジュール１６６は、適切な期間にわたって回路１３０の構成要素に電力を供給するための適切な電池又はエネルギー源を含み得る。

図８は、本発明の一実施形態による、渦流感知に基づく流量速度出力を提供する方法の流れ図である。方法３００はブロック３０２から始まり、そこではシェダーバーが流管内に設けられる。シェダーバーは、流体がシェダーバーのそばを流れる際に流体に渦を発生させるように特に構成されている。シェダーバーは、現在公知であるものや後に開発されるものなど、任意の適切な形状を取り得る。一例では、シェダーバーは、図２に示すように、比較的平坦な前方面と、比較的狭い後方面まで延在するテーパ側壁とを有し得る。

次に、ブロック３０４で、プロセス流体が流管に流される。プロセス流体は、流管を流れるとき、シェダーバーを通過する際に交互に渦を発生させる。ブロック３０６で、流管に取り付けられた、又は別の方法で結合された１つ以上のセンサを使用して流管の外部変形が検出される。上述したように、渦が流管の内部側壁に衝突するか又は別様に内部側壁と相互作用する際に、流管自体が検出可能な変形を受けることになる。一実施形態では、この変形は、１つ以上の圧電フィルムセンサを使用して検出される。しかしながら、任意の適切な変形検出方法又は技術を使用して方法３００を実施することができる。

次に、ブロック３０８で、ブロック３０６において検出された変形に基づいて渦周波数が計算される。一実施形態では、変形検出信号に対する周波数解析を行うことによって渦周波数を計算することができる。そのような周波数解析の一例が高速フーリエ変換である。最後に、ブロック３１０で、計算された渦周波数を使用して流量速度出力信号が提供される。この流量速度出力信号を、適宜、渦流量計によって局所的に示すこともでき、かつ／又は１つ以上の遠隔装置に伝達することもできる。

任意選択として、ブロック３１２で、プロセス流体が流管に流される。プロセス流体は、シェダーバーの上流で流管を流れるとき、フローノイズを発生させる。ブロック３１４で、流管のいずれかの側又は対向する側に取り付けられた１つ以上のセンサを使用してフローノイズからの流管の外部変形が検出される。ブロック３０８で、ブロック３０６で検出された変形とフローノイズからの流管の変形とに基づいて渦周波数が計算される。一実施形態では、変形検出合計信号に対する周波数解析を行うことによって渦周波数を計算することができる。そのような周波数解析の一例が高速フーリエ変換である。最後に、ブロック３１０で、計算された渦周波数を使用して流量速度出力信号が提供される。この流量速度出力信号を、適宜、渦流量計によって局所的に示すこともでき、かつ／又は１つ以上の遠隔装置に伝達することもできる。

本発明を、好ましい実施形態を参照して説明したが、当業者は、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、形態及び詳細に変更を加えることができることを認めるであろう。例えば、本発明の実施形態は圧電フィルムセンサに関して一般的に説明されているが、そのようなセンサは流管に対する渦の衝突を外部から検出する適切な感知能力を有するセンサの単なる例にすぎない。よって、現在公知であるか又は後に開発される他の種類のセンサを本発明の実施形態に従って使用できる可能性もある。

Claims (21)

1. 第１の端部と第２の端部とを有する流管と、
   前記第１の端部と前記第２の端部との間の前記流管内に配置されたシェダーバーであって、前記流管を流れる流体に渦を発生させるように構成されている、シェダーバーと、
   前記流管の外面に動作可能に結合され、前記流管内の渦に起因する前記流管の個々の変形を検出するように構成された少なくとも１つのセンサと
   を含む、渦流量計。
2. 前記少なくとも１つのセンサが圧電フィルムセンサである、請求項１記載の渦流量計。
3. 前記少なくとも１つのセンサが前記流管の前記外面に取り付けられている、請求項２記載の渦流量計。
4. 前記少なくとも１つのセンサが複数の圧電フィルムセンサを含む、請求項３記載の渦流量計。
5. 前記複数のセンサが、前記流管の第１の側に配置された第１のセンサと、前記第１の側と反対の前記流管の第２の側に配置された第２のセンサとを含む、請求項４記載の渦流量計。
6. 前記第１のセンサ及び前記第２のセンサが前記シェダーバーに近接して取り付けられている、請求項５記載の渦流量計。
7. 前記第１のセンサ及び前記第２のセンサが前記シェダーバーの下流に取り付けられている、請求項５記載の渦流量計。
8. 前記複数のセンサが、前記シェダーバーの第１の側の前記流管の第１の側に配置された第１のセンサと、前記シェダーバーの第２の側の前記流管の前記第１の側に配置された第２のセンサとを含む、請求項４記載の渦流量計。
9. 前記複数のセンサが、前記シェダーバーの上流の前記流管の前記外面に取り付けられた少なくとも１つの追加センサを含む、請求項５記載の渦流量計。
10. 前記少なくとも１つのセンサに結合され、渦周波数検出に基づいてプロセス流体流出力を生成するように構成された流量計電子回路をさらに含む、請求項１記載の渦流量計。
11. 前記流量計電子回路が、渦周波数を検出するために前記少なくとも１つのセンサからの信号の周波数解析を行うように構成されている、請求項１０記載の渦流量計。
12. 前記周波数解析が高速フーリエ変換（ＦＦＴ）である、請求項１１記載の渦流量計。
13. 前記流量計電子回路が、フローノイズを検出するために前記シェダーバーの上流の前記流管の前記外面に取り付けられた少なくとも１つセンサと、渦周波数を検出するために前記シェダーバーの上流の前記流管の前記外面に取り付けられた少なくとも１つセンサとからの信号の解析を行うように構成されている、請求項１０記載の渦流量計。
14. 流体の流量を検出する方法であって、
    前記流体流を受け取る流管を設けるステップと、
    前記流体が固定式構造体を通って流れる際に渦を発生させる前記固定式構造体を設けるステップと、
    前記渦と前記流管との間の物理的相互作用に基づいて前記流管の外面の変形を検出するステップと、
    前記検出された変形を使用して渦周波数を決定するステップと、
    前記渦周波数に基づいて流量出力を提供するステップと
    を含む方法。
15. 前記固定式構造体を設けるステップが、前記流管内にシェダーバーを取り付けるステップを含む、請求項１４記載の方法。
16. 外面の変形を検出するステップが、前記流管の前記外面に結合された少なくとも１つのセンサからの信号を監視するステップを含む、請求項１４記載の方法。
17. 前記少なくとも１つのセンサが圧電フィルムセンサである、請求項１６記載の方法。
18. 前記流管の外面の変形を検出するステップが、前記流管上の２つの異なる位置で行われる、請求項１４記載の方法。
19. 前記２つの異なる位置が前記流管の向かい合う側にある、請求項１８記載の方法。
20. 前記２つの異なる位置が前記固定式構造体の下流にある、請求項１８記載の方法。
21. 渦周波数を決定し、流体流量出力を提供するように構成された流量計電子回路と、
    第１の端部と第２の端部とを有する流管と、
    前記流管を流れる流体に渦を発生させるために前記流管内に配置されたシェダーバーと、
    各々が前記流量計電子回路に結合され、前記流管の外面に取り付けられた複数の圧電フィルムセンサであって、前記流管に衝突する渦に起因する前記流管の変形を検出するように構成されている、前記複数の圧電フィルムセンサと
    を含む、渦流量計。

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