JP3654864B2 - プロセス流量プレートおよび流量装置 - Google Patents

Description

【０００１】
発明の背景
この発明は、流量プロセス測定及び制御産業に関するものである。このプロセス測定と制御産業は、懸濁液、液体、蒸気、気体、化学製品、パルプ、石油、薬品、食品及びその他の食品加工プラントのような流動体と連動したプロセス変数を遠隔的に監視するために、プロセス変数の送信機を用いている。プロセス変数には、圧力、温度、流体、レベル、混濁、濃度、濃縮、化学組成及びその他の特性を含む。
【０００２】
図１は、圧力や流体のようなプロセス変数を測定するためのプロセス流量装置５０を示している。装置５０は、パイプのフランジ５４、５６間に固定されている流量プレート５２と遠隔温度センサ６０を含んでいる。流体流動のための全流速（mass flow rate）は以下の関数で表される。
【０００３】
【数１】

ここで：
Ｑは全流速である。
ρは流体の密度である。
ΔＰは流体の絞りを通過する時の差圧である。
ａはその開口（オリフィス）の断面積である。
Ｙは気体の膨張因子である。
Ｆ_aはその開口部における熱膨張の領域因子である。
ｇ_cは単位変換因子である。そして
Ｋは流量係数である。
【０００４】
流体の密度ρは流体の温度と圧力の関数である。気体のような圧縮できる流体については、圧力は流体の密度（ρ）に比較的な大きな影響を与える。温度の変動は、全流速が流体の絞りの面積及び形状と同様に密度ρの関数であるので、全流速の計算に影響を及ぼす。流体の絞りの面積及び形状は温度膨張のために温度変動と共に変化する。特に、流体密度は少なくとも温度の関数であり、金属の開口部（オリフィス）プレートは温度の変化によって拡張し収縮する。
【０００５】
従来の流量プレートの応用においては、温度は流量プレート５２から離れた場所で測定されていた。その離れた温度測定は流体の絞りの近くの温度を評価するのに使われていた。その離れた温度測定は、分離したパイプ接続を必要とするため、メンテナンスを増強し設備を複雑にする必要を生じた。そのような付加された複雑さは、組み立てと検査時間を増やす結果、現場据え付け時間を増加させた。さらに、それぞれの封止された接続部は、一般にパイプの中に存在する大きな静圧力によって、漏れを増長する潜在的可能性を提供する。このような漏れは、一時的な放射として知られているが、望ましくないものである。
【０００６】
要約
温度感応チャンネルは、現場据え付け時間、コスト、および複雑さを低減する一方、装置の正確さと寿命を増強するために、流量プレートに近接して配列される。この発明の実施例は流量プレートと、感応チャンネルの中の流量プレートに近接して配列された温度センサに関する。
【０００７】
図面の簡単な説明
図１は、遠隔温度センサを備えた、従来の流量装置の全体図ある。
図２は、本発明の流量プレート装置の一実施例の斜視図である。
図３は、完全な温度センサを備えた流量プレート装置の概要図である。
図４は、完全な温度センサを備えた流量プレートの一実施例の透視図である。
図５は、流体パイプ中に支持された図４の流量プレートの断面図である。
図６は、図５の一部分７の詳細図である。
図７は、完全な温度センサを備えた流量プレートの一実施例の透視図である。
図８は、図７を８−８線で切った断面図である。
図９は、流体パイプ中に支持された図７の流量プレートの断面図である。
図１０は、図９の一部分の詳細図である。
図１１は、完全な温度センサを備えた流量プレートの斜視図である。
図１２は、流体パイプに支持された図１１の流量プレートの断面図である。
図１３は、図１２のセクション１３の詳細図である。
図１４は、完全な温度センサを備えた全流速測定のフローチャートである。
【０００８】
詳細な説明
図２、図３は、完全な温度センサを備えた流量プレート１０２を含む流量装置１００の一実施例を示している。図示のように、流量プレート１０２は、図２に示した流体通路１０６内のパイプフランジ５４、５６間に差し込み可能である。図示の実施例では、ボルト１０８は流体通路１０６内の流量プレート１０２またはパイプを支持するために、フランジ５４、５６をつないでいる。流体通路１０６内の流量プレート１０２を支持するために、他の接続が使われることができ、図示の特定な接続に限定されるものではない。
【０００９】
流量プレート１０２は、図３、５ないし９に示されているような絞られた流体開口１１２を取り囲む流体通路、すなわちパイプ１０６の周辺に延びる、流量障害部１１０を含んでいる。図３、５ないし９において、流量プレート１０２は、絞られた流体開口をもつ開口プレートである。代替流量障害部１１０は、絞られたノズル開口部（図示せず）を持つノズルプレート（図示せず）であることが可能であり、流量障害部１１０は開口プレートに限定されない。種々の開口プレートとノズルプレートについての詳細な説明は、チルトンブックカンパニー（Chilton Book Company）（１９９５年）発行、リプターク（Liptak）、ベトー（Beto）著、装置工学者ハンドブック（Instrument Engineer's Handbook）の“プロセス測定および解析（Process Measurement and Analysis）”第３版、およびマグローヒル社（McGraw-Hill, Inc.）（１９９６年）発行、ミラー（Miller）、リチャード（Richard）著“流体測定工学ハンドブック（Flow Measurement Engineering Handbook）”第３版になされている。
【００１０】
流量プレート１０２は、流量障害部１１０の近くの該流量プレート１０２を通って延びる温度センサチャンネル１２０を含むことが可能である。しかし、もし温度センサチャンネル１２０が流量プレート１０２中に含まれない場合には、チャンネル１２０はプレート１０２と温度的に連通するように配置されなければならない。温度センサチャンネル１２０は、図４ないし図７に示したように、流量プレート１０２の外部周辺１２２から、絞られた流体開口部１１２に近接するように延びている。センサチャンネル１２０は、流体の絞りの温度を測定するに十分な距離の所まで延びている。
【００１１】
実施例では、温度センサチャンネル１２０の延長末端１２４は、流体に対する露出から感応要素（たとえば、抵抗温度装置）を保護するために封鎖されている。センサチャンネル１２０のポート１２６は、外部周辺１２２上で蓋（closure）１２８によってシールされている。実施例では、蓋１２８として、センサチャンネル１２０中に温度探査をシールするために丁度良いＳｗａｇｅｌｏｋ（登録商標）が用いられている。しかし、蓋１２８は、適当な既知の蓋であってもよい。適用例では、温度センサチャンネル１２０は爆発に対する耐久性と安全性の要求を満足するように封鎖されている。
【００１２】
開口プレートとその他の流量障害部１０２は、国際標準ＩＳＯ５１６７−１で公表されている寸法標準規格を満たす。開口プレートと流量障害部１０２の厚さｔ（図６および１０）は、パイプの寸法または直径の関数である。図４−６では、大きい直径のパイプの流量プレートの実施例を図示しており、図７−１０では小さい直径のパイプに適応させた流量プレート１０２の実施例を図示している。図４−６に示される実施例では、流量プレートは、パイプフランジ５４、５６間を固定しているベース部分１３０、および流体通路１０６中に支持される流量障害部１１０を持つ平板である。流量プレートの厚さｔは、絞られた開口部１１２と流量障害部１１０に近接している温度センサを配置するために、ベース部分１３０と流量障害部１１０を通る温度センサチャンネル１２０を形作るに十分な厚さである。
【００１３】
図７−１０に示した実施例では、流量プレートは、小さなパイプ直径やパイプサイズ用のセンサチャンネル１２０を収容するために、厚めのベース部分１３０を含むように段を付けられている。図７−１０に示されているように、センサチャンネル１２０はベース部分１３０を通って伸び、センサチャンネル１２０の部分は、図９−１０に示されているように、流体の絞りに近接して温度センサーを支持するために、流量障害部１１０の背面側（低圧側）に形成されている。センサチャンネル１２０は、既知の製造業や鋳造技術によって、流量障害部１１０の背面側に伸びる隆起バルブ１３２を通って形成されることができる。
【００１４】
温度センサ１３４は、図３に概要が示されているように、温度測定のためのセンサチャンネル１２０の中に挿入されている。温度センサ１３４は、約１／８インチ〜１／４インチの間の寸法を持つ、販売されている抵抗温度装置であることが可能であり、たとえばコネチカット州スタンフォード（Stamford）のオメガ工学社（Omega Engineering）や、ミネソタ州エデン プレイリー（Eden Prairie）のフィッシャーローズマウント株式会社（FIsher-Rosemount Inc.）などから提供されているものを用いることができる。他の温度センサ１３４は、約１／１６インチ〜３／８インチの寸法を持つ熱電対であることが可能であり、たとえばコネチカット州スタンフォード（Stamford）のオメガ工学社（Omega Engineering）から提供されているものを用いることができる。
【００１５】
流量プレート１０２は、流体の絞り１１２を通る時に差圧を生成する。圧力センサモジュール１３６は、図２および３に示されているように、絞り１１２の両側の差圧を測定する。差圧は、図３、５、９に示されているように、流量プレート１０２の両側にある圧力タップ１４０、１４２を通ってセンサモジュール１３６へと送られる。センサモジュール１３６からの出力は、コンピュータやプロセス計算機のための他の装置１４６へと転送される。たとえば、センサモジュール１３６からの出力は、リモートコンピュータ１４６または分配制御システムへと送信するための、ミネソタ州エデン プレイリー（Eden Prairie）のフィッシャーローズマウント株式会社（FIsher-Rosemount Inc.）で開発されたローズマウントモデル送信機３０９５ＭＶのような送信機に連結される。図２および３に示されるように、センサのリード線１５０は、温度センサ１３４を、プロセス計算のためのプロセッサまたは送信機１４８に電気的に接続する。
【００１６】
プロセス変数送信機１４８は、プロセスがモニタされ制御されることができるように、プロセス制御ループをこえて、制御室やコンピュータ１４６へ、感応プロセス変数に関する出力を供給する。そのプロセス制御ループは、２線の４〜２０ミリアンペアのプロセス制御ループであることができる。そのプロセス制御ループは、テキサス州７８７５９−６５４０、オースチン（Austin）のＨＡＲＴ（登録商標）通信財団から提供されるＨＡＲＴ（登録商標）フィールド通信プロトコルである“技術総覧（A Technical Overview）”に記載されている、ＨＡＲＴ（登録商標）（“Highway Addressable Remote Transducer”）デジタルプロトコルのようなプロセス工業標準プロトコルに従って、2線ループの上に重畳されるデジタル信号も持ってもよい。ローカルプロセス制御装置は、たとえば、ミネソタ州エデン プレイリー（Eden Prairie）のフィッシャーローズマウントシステム株式会社（FIsher-Rosemount Inc.）から入手できる「フィールドバス技術総覧（Fieldbus Technical Overview）」に記載されているように、フィールドバスインターフェイスとネットワークシステムを通ってプロセス制御に接続されている。いくつかの実施例では、送信機１４８は安全性の要求を満足することができる。
【００１７】
圧力タップ１６０、１６２は、図１１−１３に示されているように、流量プレートと一体に構成されることができる。図１１−１３に示されているように、流量プレート１５２は、絞られた流体開口１５８を形成する流量障害部１５６を支持する導管１５４を含む。流体導管１５４は圧力タップ１６０、１６２を含む。流体導管１５４は、圧力タップ１６０、１６２と流量障害部１５６との間の圧力の損失と低下を制限する継ぎ目を、流量障害部１５６と圧力タップ１６０、１６２の間に有しない。この圧力タップ１６０、１６２と流量障害部１５６との間の継ぎ目のないインターフェイスは、流速や流体の絞りと関係なく、測定精度を低減し、また＿＿に出願された出願番号第＿＿の「改良された圧力測定の特徴を備えたプロセス流量装置（PROCESS FLOW DEVICE WITH IMPROVED PRESSURE MEASUREMNET FEATURE）」に記されている変わり易い放射の可能性を増やす非属性圧力損失を低減する。流量プレート１５２は、パイプフランジ５４、５６の間に挿入、支持されていて、流量プレート１５２の外部周辺から流量障害部１５６へと延びている、図１２−１３に中空で示した通りの、温度センサチャンネル１６４を含んでいる。センサチャンネル１６４は、流体温度を測定するのに十分、絞り１５８に近接している。
【００１８】
図１４に示した動作では、ブロック１７０に示されているように、流体は、流量プレート１０２の絞られた流体開口１１２を通って絞られ、差圧を発生する。流体障害部１１０の両側では、図３で概略的に図示されている、差圧力タップ１４０、１４２は、ブロック１７２に示されているように、差圧測定のための圧力を運ぶために、センサモジュール１３６に結合されている。温度はブロック１７４で図示されているように、流体の絞りで測定される。全流速は、流体の絞りにおける、測定差圧、静圧力および温度とに基づいて、ブロック１７６に示されているように、計算される。差圧は、流体の流量に応答して開口部１１２の両側に生成される圧力であり、一方、静圧力は流体が流れていないときでもパイプ内で提供される圧力である。
【００１９】
本発明は好ましい実施例を参照して説明された、当業者は、本発明の精神と範囲から逸脱することなく、変形できることは明らかである。たとえば、適当な補正因子は、ＩＳＯ５１６７−１のような標準によって推奨された場所に対して、この発明の実施例で測定された温度を関係付けるのに使われることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 遠隔温度センサを備えた、従来の流量装置の全体図ある。
【図２】 本発明の流量プレート装置の一実施例の斜視図である。
【図３】 完全な温度センサを備えた流量プレート装置の概要図である。
【図４】 完全な温度センサを備えた流量プレートの一実施例の透視図である。
【図５】 流体パイプ中に支持された図４の流量プレートの断面図である。
【図７】 完全な温度センサを備えた流量プレートの一実施例の透視図である。
【図９】 流体パイプ中に支持された図７の流量プレートの断面図である。
【図１１】 完全な温度センサを備えた流量プレートの斜視図である。
【図１２】 流体パイプに支持された図１１の流量プレートの断面図である。
【図１４】 完全な温度センサを備えた全流速測定のフローチャートである。
【符号の説明】
５４、５６……パイプのフランジ、１０２……流量プレート、１０６……流体通路、１１０……流量障害部、１１２……流体の絞り、１２０……センサチャンネル、１２４……延長末端、１４０、１４２……圧力栓

Claims (12)

1. 流体通路に挿入可能な温度測定機能を備えた流量プレートであって、
   少なくとも一つの絞られた流体の開口を形成する流体通路の外縁周辺まで延びている流量障害部と、
   前記流量障害部に近接し、統合して配置された温度センサチャンネルとを具備し、
   前記流量プレートは、前記流量障害部を支持する流体導管を含み、該流体導管は前記流量障害部の両側に設けられた第１と第２の圧力タップを含み、かつ前記流量障害部、前記第１と第２の圧力タップ間で継ぎ目がないことを特徴とする流量プレート。
2. 流量プレートがセンサチャンネル蓋を含むことを特徴とする請求項１に記載の流量プレート。
3. 前記温度センサチャンネルが温度センサを含むことを特徴とする請求項１に記載の流量プレート。
4. 前記温度センサが抵抗温度センサであることを特徴とする請求項２に記載の流量プレート。
5. 前記温度センサが熱電対であることを特徴とする請求項２に記載の流量プレート。
6. 請求項１の流量プレート、第１および第２の圧力タップに接続された圧力センサ、および該圧力センサに接続された送信機を具備する高温感知機能を有する流量装置。
7. 前記温度センサチャンネルが、温度センサを含む請求項６に記載の流量装置。
8. 前記温度センサが、送信機と電気的に連結されている請求項７に記載の流量装置。
9. 前記温度センサが、コンピュータと電気的に連結されている請求項７に記載の流量装置。
10. 前記送信機が、分配制御システムと電気的に連結されている請求項６に記載の流量装置。
11. 前記送信機が、コンピュータと電気的に連結されている請求項６に記載の流量装置。
12. 流量障害部と第１と第２の圧力タップを支持し、該流量障害部と第１と第２の圧力タップとの間に継ぎ目がない流体導管を含むことを特徴とする請求項６に記載の流量装置。

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