JP4020433B2 - 平均ピトー管型一次要素を備えた伝送器およびその使用方法 - Google Patents

Description

発明の背景
本発明は、流体の流れの計測に関する。より詳細には、本発明は、平均ピトー管型センサを使用してプロセス流体の流れを計測することに関する。
プロセス流体の流量を計測することは、産業プロセスを制御するために必要である。産業プロセスにおいては、流量（Ｑ）を測定するための伝送器が、プロセス制御システムの現場内の離れた場所に配置される。これらの伝送器は、流量情報を制御室に送信する。流量情報は、プロセスの動作を制御するのに使用される。ここで、プロセス流体とは、液体および気体流体の双方を意味する。
プロセス制御産業で流量を測定する一般的な手法の１つは、パイプ内に固定された制限部材（差圧発生器または一次要素と呼ばれる）での圧力低下を測定することである。差圧発生器を通過する流量を計算する一般式は次のとおりである。
Ｑ＝ＮＣ_dＥＹ₁ｄ²√ρｈ ……式１
この式中の各項の意味は次のとおりである。
Ｑ ＝ 質量流量（質量／単位時間）
Ｎ ＝ 単位変換係数（単位はさまざまである）
Ｃ_d ＝ 放出係数（無次元）
Ｅ ＝ 接近速度係数（無次元）
Ｙ₁ ＝ 気体膨張係数（無次元）
ｄ ＝ 差圧発生器の口径（長さ）
ρ ＝ 流体密度（質量／単位体積）
ｈ ＝ 差圧（作用力／単位面積）
この式の各項のうち、簡単に計算できる項は、定数である単位変換係数のみである。その他の項は、比較的簡単なものから非常に複雑なものまで、さまざまな式で表わされる。式の中には、多くの項を含んでおり、非整数の累乗を要するものもある。これは計算上かなり負荷のかかる演算である。
流体を計測するために使用可能な計測器には多くの形式がある。ヘッドメータは、流体の流量を計測するのに使用される最も一般的なものである。これらの計測器は、流体の流れを遮断する方法で差圧を発生し、これを計測することによって、間接的に流体の流れを計測する。使用されるヘッドメータの形式およびパイプの直径に依存して適切に規定された換算係数を使用すると、差圧の計測値は、質量あるいは体積流量に換算されることができる。
流量を決定するために差圧を測定する１つの技術は、平均（化）ピトー管型一次要素を使用することである。一般的に、流体を示すための平均ピトー管型一次要素は、パイプ内の異なる地点で圧力を感知する２本の中空の管からなる。これらの管は、パイプ内に分離して備え付けられているか、あるいは単一の装置として、１つのケースの中に一緒に組み込まれることが可能である。この設計は、正面（上流側）を向いて、全圧（Ｔ_TOT）を測定する管を備えている。第２の管は、下流圧（down stream pressure）を測定する。この２つの管の間の差圧は、式２によって与えられる流量の２乗に比例する。
Ｑ＝ＮＫＤ²Ｙ₁√ρｈ ……式２
この式中の各項の意味は次のとおりである。
Ｎ ＝ 単位変換係数
Ｋ ＝ 平均ピトー管の流量係数（無次元）
Ｄ ＝ 管の直径（インチ）
Ｙ₁ ＝ 気体膨張係数（無次元）
ρ ＝ 流体密度（ｌｂ_m／ｆｔ³）
ｈ ＝ 差圧（インチＨ₂）
圧力測定に基づいて流量を正確に計算するには、式１に代入するための気体密度（ρ）および気体膨張係数（Ｙ₁）を正確に測定することが必要である。これらは、正確な式、参照表、多項式の近似計算、あるいはその他の曲線適合技術によって計算される。密度（ρ）および気体膨張係数（Ｙ₁）を正確に計算するには、前述の技術に使用する静圧（Ｐ_STAT）の正確な値が必要である。しかしながら、平均ピトー管の一次要素は静圧を感知しない。上流を向いた管、および下流を向いた管のどちらも、静圧の正確な指示を生じない。
一般的な先行技術の伝送器においては、密度（ρ）および気体膨張係数（Ｙ₁）は、別の独立した静圧（Ｐ_STAT）測定を用いて計算される。これは、精度を確保するために、平均ピトー管と隔離される。このことは、追加のセンサを必要とし、またプロセス管に追加の入口（挿入物）を必要とするので不便である。
先行技術における、静圧（Ｐ_STAT）を測定するための追加のセンサは、扱いにくく、不便で、費用がかかるものであり、また誤差の原因を増大することになる。
発明の概要
本発明は、平均ピトー管型一次要素を使用して、質量流量（Ｑ）を測定する伝送器を提供する。本発明は、独立した別個の静圧測定器を必要としない。本発明の１つの特徴は、１本のピトー管でプロセス流体の全圧（Ｐ_TOT）を感知する全圧センサを備えていることである。第２の圧力センサは、一次要素の（複数の）管の間の差圧を測定する。伝送器内の回路が、全圧に基づいて静圧（Ｐ_STAT）を計算する。計算された（Ｐ_STAT）は、気体密度（ρ）および気体膨張係数（Ｙ₁）を計算するために使用される。流量（Ｑ）は、圧力測定、流体密度（ρ）、および気体膨張係数（Ｙ₁）に基づいて計算される。
【図面の簡単な説明】
図１Ａは、プロセス管に接続された、本発明による伝送器を示す。
図１Ｂは、本発明に使用される平均ピトー管型一次要素の、上から見た断面図である。
図１Ｃは、プロセス管に装填された、図１Ｂの平均ピトー管型一次要素を示す。
図２は、全圧および静圧を用いてそれぞれ計算された、最大流量での気体密度の差圧に対する比較を示すグラフである。
図３は、８インチのパイプ内の二酸化炭素ガスの、差圧に対する全圧と静圧との差の関係を示すグラフである。
図４は、８インチのパイプ内の二酸化炭素ガスの、差圧に対する、本発明に従って計算された補正済み静圧に含まれる誤差の関係を示すグラフである。
図５は、流量（Ｑ）を決定するための、本発明による伝送器を示す、簡略化されたブロック図である。
好ましい実施例の詳細な説明
図１Ａは、プロセス管１２に接続された、本発明による伝送器１０を備えたプロセス制御システム１０を示す図である。プロセス管１２は、速度（Ｖ）および流量（Ｑ）を有するプロセス流体を伝送する。管１２は、気体または液体などの流体を矢印１６で示される方向へ通過させる。
本発明は、独立した静圧（Ｐ_STAT）の計測を必要とせずに、平均ピトー管型一次要素内の上流向きの管内で感知される全圧（Ｐ_TOT）、およびその２つの管の間で測定される差圧（ｈ）に基づいてＰ_STATの正確な推定値を供給する。計算された静圧の推定値は、流体密度（ρ）および気体膨張係数（Ｙ₁）を決定するための計算に用いられる。静圧の推定方法は、一般的な従来技術の方式に比べて、より少ない計算時間および所要電力（power）しか必要としない。
伝送器１０は、伝送器エレクトロニクス・モジュール１８およびセンサ・モジュール２２を含む。また、伝送器エレクトロニクス・モジュール１８は抵抗温度素子（ＲＴＤ）からの入力を受け入れるためのボス２０を有するのが望ましい。抵抗温度素子は、一般にパイプまたは温度計保護管に直接挿入された１００オームのＲＴＤであるのが好ましく、これはプロセス流体の温度を測定する目的でパイプに挿入される。ＲＴＤからのリード線は、温度センサ・ハウジング２４の端子ブロックの片側に接続している。端子ブロックの反対側には、管２６を通ってボス２０に結合する配線が接続されている。
センサ・モジュール２２には、差圧（ｈ）を測定するための差圧センサ、および全圧（Ｔ_TOT）を測定するための圧力センサが含まれる。これら２つのセンサは、デジタル化されてマイクロプロセッサへ供給される圧力信号を発生する。モジュール２２は、マウント２３で支持されたマニホールド２１を介して一次要素１４に連結される。補正（補償）、線形化、およびディジタル化された信号は、エレクトロニクス・モジュール１８に供給される。伝送器１０のエレクトロニクス・モジュール１８は、パイプ１２を通って流れているプロセス流体の質量流量（Ｑ）などのプロセス状態を表わす出力信号を、可撓性導管２８を貫通している、なるべくは撚り線対導体を使用した４〜２０ｍＡの２線式ループを介して遠隔地へ伝送する。
さらに本発明に従って、伝送器１０はまた流量を示す出力信号を発生する。伝送器１０は、一次要素１４に接続されている。一次要素１４は、例えば、１９７９年５月１５日に、ハーバウフ（Harbaugh）らに許可された「下流向き開口部を有するピトー管型流量計の流量係数を安定化する方法および装置」という名称の、米国特許第４，１５４，１００号に示されるようなピト一管で作られることができる。
オリフィス板、ノズル、あるいはベンチュリ管などの他の様式の一次要素１４を用いる場合は、気体密度（ρ）および気体膨張係数（Ｙ₁）の計算に使用するために、伝送器１０でプロセス流体の静圧（Ｐ_STAT）が測定される。これらの値は、流量を計算するのに用いられる。本発明においては、伝送器１０は米国特許第４，１５４，１００号に示されるような平均ピトー管型一次要素を伴って使用される。ピトー管の上流側で測定される圧力は、時折“よどみ圧”とも称される全圧（Ｔ_TOT）の平均値である。第２の管は、これらの２つの管の間に差圧（ｈ）を発生するように、流れの方向に対して、ある角度をなしている。全圧（Ｔ_TOT）は、静圧（Ｐ_STAT）よりも高いので、そのような全圧（Ｐ_TOT）を気体密度および気体膨張係数の計算に用いると、流量に誤差を生じることになるであろう。
図１Ｂおよび図１Ｃは、管１２に装填されたピトー管型一次要素のより詳細な図である。要素１４は、上流に向いたピトー管３０Ｂおよび下流に向いた第２のピトー管３０Ｃを持つ細長い本体３０Ａを有する。管３０Ｂおよび３０Ｃは、それぞれに、その長さ方向に沿って散在させられた多数の開口部３２および３４を有する。多数の開口部は、流れ１６の全断面の平均圧力を測定するのを確実にする。管３０Ｂおよび３０Ｃは、管２１Ａ、２１Ｂおよび多岐管（マニホールド）２１を介して伝送器１０のセンサ本体２２に連結される。
Ｐ_TOTをＰ_STATの推定値として用いた場合の、流体計算における誤差を説明するためには、以下の方法を用いていくつかの例に関する評価をすることが有効である。
１．管の大きさ、および流量、圧力、温度の範囲を仮定する。この段階で仮定される圧力は、静圧Ｐ_STATである。
２．作動範囲に基づいて、圧力および温度の全範囲にわたる性能を評価するために、Ｐ_MIN、Ｐ_MID、Ｐ_MAXおよびＴ_MIN、Ｔ_MID、Ｔ_MAXを計算する。
３．差圧範囲が２．５から２５０インチ（Ｈ₂Ｏ）の基準オリフィス流量計を通過する流量を、第２段階から得られるＰおよびＴの９つの組合せについて計算する。
４．次の式３を用いて、Ｐ_STATから正確な全圧Ｐ_TOTを計算する。

この式中の各項の意味は次のとおりである。
Ｐ_TOT ＝ 全圧（ｐｓｉａ）
Ｐ_STAT ＝ 静圧（ｐｓｉａ）
Ｑ ＝ 質量流量（ｌｂ_m／ｓｅｃ）
Ａ ＝ 管の面積（インチ²）
Ｒ_g ＝ 固有気体定数（Ｒ_u／Ｍｏｌ／Ｗｔ）
Ｔ ＝ 絶対温度（°Ｒ）
ｇ_c ＝ 重力比例定数
γ ＝ 比熱の比率（等エントロピー累乗指数）
式３はＰ_TOTおよびＰ_STATを関連付ける。さらに、この式で用いられる温度は全温度（total temperature）である。この分析の目的のためには、ＲＴＤによって測定される温度が全温度を表わすと仮定される。より詳細には、「一般化された流体の流れおよび突然の拡大」（ベネディクト（Benedict）、ウィラー（Wyler）、ダデック（Dudek）、およびグリード（Gleed）らの論文：米国機械学会（ＡＳＭＥ）の報告書、動力工学（power engineering）誌、１９７６年７月号、３２７ページから３３４ページ）を参照のこと。この関係を用いて計算される全圧（Ｐ_TOT）は、管３０Ｂを用いて伝送器１０によって別途に測定されることのできる上流側の圧力を表わす。この方法はさらに、次のように継続される。
５．静圧Ｐ_STATの値を用いて計算される密度と、計算された全圧Ｐ_TOTの値を比較する。
６．式２を用いて、平均化センサの両側に生ずる差圧を計算する。静圧（Ｐ_STAT）ではなく、全圧（Ｐ_TOT）を用いる場合の流量測定の誤差に及ぼす影響が、これら２つの圧力を気体密度の計算に用いた場合の差異を評価することによって示される。図２はこれを示すものである。全圧（Ｐ_TOT）を用いて計算された密度は、静圧（Ｐ_STAT）を用いて計算される密度よりも高い。図２に示されるように、前記の差異は流量の増加、および静圧の低下に伴って増加する。図２は、この分析に用いられた３種類の気体について、静圧の変化に対する気体密度の最大誤差の比較を示す。このデータは、８インチの管内の流量に対して計算されたものである。
式１および式２を見ても、ただちに全圧（Ｐ_TOT）、静圧（Ｐ_STAT）、および差圧（ｈ）間の関係を明らかにすることはできない。しかしながら、全圧と静圧との差が差圧に対してプロットされる場合は、それはほぼ直線状になる（図３参照）。またそれは、静圧および温度の影響をほとんど受けない。
全圧（Ｐ_TOT）は、静圧の近似値を求めるために、このほぼ直線的な関係を用いて補正されることができる。全圧および静圧は、流量ゼロで同じ値に収束するので、全圧と静圧との関係は、次式で表すことが可能であろう。
Ｐ_TOT−Ｐ_STAT＝Ｃ₁ｈ ……式４
あるいは
Ｐ_STAT＝Ｐ_TOT−Ｃ₁ｈ ……式５
ここで、Ｃ₁は、圧力および温度の全作動範囲で平均勾配である。図４は、静圧Ｐ_STATを推定する際に、差圧（ｈ）が大きい場合でさえも、式５による推定が非常に正確であることを示している。ある実施例においては、Ｐ_STAT計算の正確さは、より高次の多項式をｈに使用することによって向上することができる。
図５は、本発明による伝送器１０を示す簡略化されたブロック図である。伝送器１０は、アナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器４２に接続されたマイクロプロセッサ４０を有する。管３０Ｂからの圧力（Ｐ_TOT）を感知する圧力センサ４４、および管３０Ｃからの差圧（ｈ）を感知する圧力センサ４６が、アナログデジタル変換器４２に接続される。センサ４４および４６は、図１Ａに示される一次要素１４に接続される。アナログデジタル変換器はまた、温度センサ２４からの温度入力を受信する。
マイクロプロセッサ４０は、メモリ５０に記憶された命令に従って、クロック５２によって決定されるクロック率で作動する。メモリ５０はまたマイクロプロセッサ４０のための情報も記憶している。入出力回路５４は、接続端子５６を介してプロセス制御ループ２８Ａに接続される。ループ２８Ａは遠隔地の電源からの電流Ｉを伝送し、この電流は、入出力回路５４が伝送器１０用の電力を発生するのに用いられる。ある実施例では、伝送器１０は、完全に（あるいは独占的に）ループ電流Ｉによって給電される。
入出力回路５４は、制御ループ２８Ａの電流Ｉの量を制御することによって、ループ２８Ａを介して情報を伝達する。さらに入出力回路５４は、ループ２８Ａ上へデジタル変調情報を送出する。また、伝送器１０はループ２８Ａを介して命令を受信することもできる。マイクロプロセッサは、前述の各式を使用し、全圧（Ｐ_TOT）を用いて流量を正確に計算して流体密度（ρ）を決定する。
本発明は、平均ピトー管型一次要素によって得られる全圧（Ｐ_TOT）および差圧（ｈ）に基づいて、静圧（Ｐ_STAT）推定値を供給する。これにより、従来技術において静圧を測定するために用いられた余分のセンサ、および流体チューブへの余分な部品の装填が不要になる。
本発明を好ましい実施態様を参照して説明してきたが、本発明の精神や範囲から逸脱することなく、形式や詳細な点において変更が可能であることが当業者には明かであろう。例えば、この装置を最適化するために、アナログデジタル交換器あるいはマイクロプロセッサを追加して使用することができる。さらに、どんな型式の平均ピトー管一次要素も使用できるであろう。静圧（Ｐ_STAT）を計算する工程は、密度（ρ）、気体膨張係数（Ｙ₁）、あるいは流量（Ｑ）を計算するために用いられるような、他の式に直接適用されることもある。

Claims (6)

1. ほぼ上流に向いた複数の開口部を有する第１の管（３０Ｂ）とほぼ下流に向いた複数の開口部を有する第２の管（３０Ｃ）とを有する平均ピトー管型一次要素（１４）に接続され、プロセス流体の流量（Ｑ）を計算する伝送器であって、
   前記第１の管（３０Ｂ）を用いてプロセス流体の全圧（Ｐ_TOT）を感知し、全圧センサ出力（Ｐ _TOT’ ）を提供する全圧センサ（４４）と、
   前記第１の管（３０Ｂ）と第２の管（３０Ｃ）との間のプロセス流体中の差圧（h）を感知し、差圧センサ出力（ｈ’）を提供する差圧センサ（４６）と、
   前記全圧センサ出力（Ｐ_TOT’）と差圧センサ出力（ｈ’）とに基づいて流量（Ｑ）を計算する回路（４０，４２，５０）と、
   計算された前記流量（Ｑ）を送出するＩ／Ｏ回路（５４）とからなり、
   前記Ｉ／Ｏ回路（５４）と回路（４０，４２，５０）とは伝送器１０の中に納められ、前記伝送器（１０）は前記計算された流量（Ｑ）をプロセス制御ループ（２８Ａ）へ伝送し、前記回路（４０，４２，５０）は次のステップで流量（Ｑ）を計算するように構成されていることを特徴とする伝送器。
   ａ）式Ｐ _STAT ＝Ｐ _TOT ’−Ｃ ₁ ｈ’に従って静圧Ｐ _STAT を計算すること（ここで、Ｃ ₁ は定数）、
   ｂ）前記計算された静圧Ｐ _STAT の関数として密度（ρ）を計算すること、
   ｃ）前記計算された静圧Ｐ _STAT の関数として気体膨張係数（Ｙ ₁ ）を計算すること、
   ｄ）前記計算された密度（ρ）、前記計算された気体膨張係数（Ｙ ₁ ）および差圧センサ出力（ｈ’）の関数として流量（Ｑ）を計算すること。
2. 前記回路（４０，４２，５０）は、前記ステップｄ）を前記差圧センサ出力（ｈ’）に関する多項式を用いて実行する請求項１の伝送器。
3. 前記回路（４０，４２，５０）に接続された温度入力（２６）をさらに有し、
   該回路（４０，４２，５０）は、前記ステップｄ）を、前記温度入力（２６）における測定されたプロセス流体温度を表す入力データを用いて実行する請求項１の伝送器。
4. ほぼ上流に向いた複数の開口部を有する第１の管（３０Ｂ）とほぼ下流に向いた複数の開口部を有する第２の管（３０Ｃ）とを有する平均ピトー管型一次要素（１４）を通って流れるプロセス流体の流量（Ｑ）を決定する装置を使用する方法であって、
   前記第１の管（３０Ｂ）中のプロセス流体の全圧（Ｐ _TOT ）を全圧センサ（４４）で感知して全圧センサ出力（Ｐ _TOT’ ）を提供し、
   前記第１の管（３０Ｂ）と第２の管（３０Ｃ）との間のプロセス流体中の差圧（ｈ）を差圧センサ（４６）で感知して差圧センサ出力（ｈ’）を提供し、
   後述のようにして計算された流量（Ｑ）を送出するように構成されたＩ／Ｏ回路を提供し、
   プロセス制御ループ（２８）を経て前記計算された流量（Ｑ）を伝送する伝送器（１０）中に、前記Ｉ／Ｏ回路（５４）および前記回路（４０，４２，５０）を配置し、前記回路（４０，４２，５０）において、次のステップａ）〜ｄ）により流量（Ｑ）を計算することを特徴とする方法。
   ａ）式Ｐ _STAT ＝Ｐ _TOT ’−Ｃ ₁ ｈ’に従って静圧Ｐ _STAT を計算すること（ここで、Ｃ ₁ は定数）、
   ｂ）前記計算された静圧Ｐ _STAT の関数として密度（ρ）を計算すること、
   ｃ）前記計算された静圧Ｐ _STAT の関数として気体膨脹係数（Ｙ ₁ ）を計算すること、
   ｄ）前記計算された密度（ρ）、前記計算された気体膨脹係数（Ｙ ₁ ）および差圧センサ出力（ｈ’）の関数として流量（Ｑ）を計算すること。
5. 前記静圧（Ｐ _STAT ）と前記全圧（Ｐ _TOT ）との差の圧力が、前記差圧（ｈ）に関する多項式を用いて計算される請求項４の方法。
6. プロセス流体の温度を測定すること、および
   流量（Ｑ）を計算するステップ中にプロセス流体の温度を含ませる請求項４又は５の方法。

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