JP4503830B2 - 摩擦式流量計 - Google Patents

Description

【０００１】
発明の背景
本発明は、プロセス制御のための送信器に関する。より具体的には、本発明は、流量を計測する圧力送信器に関する。
【０００２】
プロセス制御の中で、パイプを経由する流体の動きは、パイプに接続された一連のプロセス制御送信器で監視される。該送信器には、センサが内蔵されており、該センサが、一本のパイプの中の二個の圧力の差（即ち、差圧）を感知する。差圧の計測から、これらの送信器は、パイプの中の流体の質量流速を推断する。
【０００３】
一般的に、送信器は、パイプの中の障害物を横断して差圧を感知する。一般的な障害物は、オリフィス板であり、該板は、パイプに挿入された孔が開けられたディスクである。該ディスクは、大きくて、容易に感知できる減圧には役立つが、該ディスクにより引き起こされる流体の流れの中断を考慮に入れるための多数の補正係数を質量流量計算に加えなければならないので、該計算を複雑にする。該ディスクは、またパイプの中の大きな圧力降下を引き起こす。該減圧は、不必要で、また高価なエネルギの浪費を惹起する。
【０００４】
発明の概要
圧力送信器は、パイプの中の流量を表示する信号を生成する。該送信器は、圧力センサを有し、該センサは、該パイプの中の二個のポートに接続されており、該二個のポートの間の該パイプの断面は、ほぼ一定である。本発明の着眼点は、回路に接続されている該圧力センサが、二個のポートの間の差圧の関数として、流量に関するデジタル値を生成することである。
【０００５】
図面の簡単な説明
図１は、従来の技術による質量流量計測システムである。
図２は、本発明の質量流量送信器システムの一実施形態である。
図３は、本発明と共に使用できる質量流量送信器の断面図である。
図４は、図３の送信器に連動する調節回路のブロック線図である。
図５は、摩擦係数とパイプの粗さの関数としてのレイノルズ数のグラフである。
図６は、本発明に従って質量流量を計算するための方法のフローチャートである。
図７は、本発明に従って質量流量を計算するための第２の方法のフローチャートである。図８は、本発明の質量流量送信システムの第２実施形態である。
図９は、楕円ポートである。
図１０は、本発明の質量流量送信システムの第３実施形態である。
【０００６】
好ましい実施形態の詳細な説明
本発明の一つの態様は、内部に障害物が無く、ほぼ一定の断面を有するパイプの部分に沿って起こる圧力降下を正確に感知することにより、パイプの中のオリフィス板の必要性を除去することである。該正確な計測に基づいて、本発明は、流体の流れに関するデジタル値を生成するための新しい技術を使用している。
【０００７】
図１は、従来の技術の質量流量計測システム１００を示している。流体は、オリフィス１０６が中に入っているパイプ１０４を経由して、１０２の方向に流れる。該オリフィス１０６から上流の、開口部１０８は、パイプ１０４と導管１１０の間の流れを連結している。該導管１１０は、開口部１０８から送信器１１２に伸びており、第２導管１１４は、該送信器１１２から下流の開口部１１６に伸びている。送信器１１２の中の諸センサは、該開口部１０８と該開口部１１６の間の差圧を示す差圧信号を形成する。該差圧信号は、プロセス制御線１２２を経由して制御室１２０に送信される。
【０００８】
オリフィス板１０６により作り出される圧力降下は、比較的大きいので、送信器１１２の中のセンサは、二個のポートの間の圧力の差を正確に感知できる。しかし、該大きな圧力降下は、流体を加圧するためにエネルギが必要であるので重大で高価なエネルギのロスを生ずる。更に、場合によっては、一本のパイプの長さに対する質量流速を監視するのに、１０個の送信器を要することがあるので、各オリフィス板に対して印加される圧力は、送信器の全個数分乗算され、結果的に、大きな、高価な、また不必要なエネルギの浪費を招くことになる。
【０００９】
更に、従来の送信器をパイプの中へ挿入するには、オリフィス板を挿入できるようにするために、パイプの一部を取り除かなければならない。該加工は、パイプシステムの漏洩の可能性を増すので、高価である。
【００１０】
また、オリフィス板は、加工の流れの中で、オリフィスの中に、異物が詰まりやすいので好ましくない。このことで、追加の保守とオリフィス板が原因の無駄な圧力降下を招く。該プレートの汚染も、また従来の技術の送信器による流量計測の精度を落とす。
【００１１】
図２は、本発明の圧力計測システム１３０を示している。パイプ１３２は、開口部１３６と１３８を通過した流体の流れを方向１３４の方向に送る。該開口部１３６と１３８は、衝撃パイプ１４０と１４２に向けてそれぞれ開かれている。できれば整合されていることが好ましい該衝撃パイプ１４０と１４２は、送信器１４４に接続されており、該送信器は、差圧センサ（下記に詳しく示されている）を含む。該送信器１４４は、プロセス制御業界で使用されている用語のとおりの、例えば、ミネソタ州のローズマウント社（Rosemount Inc.）から入手できるモデル１１５１あるいはモデル３０５１送信器のような如何なるタイプの「送信器」から構成することができる。差圧センサは、差圧信号を生成して、該信号を、プロセス制御ループ１４８を経由して送信器１４４から制御室１４６に送信する。該ループ１４８は、４−２０ｍＡ，ＨＡＲＴ（登録商標）、フィールドバス（FieldBus）、プロフィバス（ProfiBus）等の種々の業界の基準に従って作動させることができる。一つの実施形態では、送信器１４４の電源の全部は、ループ１４８から供給される。
【００１２】
本発明の一つの態様は、流体とパイプとの間の摩擦によって、開口部１３６から開口部１３８までの圧力降下が直線的となり、該圧力降下の平方根が、流体の速度に比例するという認識を含んでいる。
【００１３】
図３は、図２の共平面（coplanar）送信器１４４の断面を示しており、該送信器は、下部のセンサハウジング２５５と上部電子モジュール２５７を有している。該送信器１４４は、二個の隔離ダイヤフラム２６０Ａと２６０Ｂを有しており、該ダイヤフラムは、流体的に衝撃パイプ１４０と１４２（図３の中で図示されていない）に連結されている。該隔離ダイヤフラム２６０Ａと２６０Ｂは、該衝撃パイプ１４０と１４２の中の圧力を、それぞれチャンバ２５８Ａと２５８Ｂと、それぞれ通路２５６Ａと２５６Ｂと、またそれぞれ流入チューブ２５４Ａと２５４Ｂにより形成されている二本の流体連絡チャンネルに転送する。差圧センサ２５２は、流入チューブ２５４Ａと２５４Ｂの間に設置され、チャンバ２７６、２７８をそれぞれ形成しているそれぞれの容量性板２７２、２７４の間に溶接された感知ダイヤフラム２７０を含む。チャンバ２７６、２７８の間の差圧で、感知ダイヤフラム２７０が撓められ、該作用で、容量性板２７２、２７４と該感知ダイヤフラム２７０の間の静電容量が変化する。センサ板２８０は、該諸キャパシタンスに基づく信号を補正し、出力回路板２８２は、プロセス制御ループ１４８上に関連する出力を生成する。
【００１４】
図４は、該センサ板２８０と出力回路板２８２上の電子装置のブロック線図である。図４の中の破線４００の左側の電子構成部品は、出力回路板２８２上に配置され、該線４００の右側の構成部品は、該センサ板２８０上に配置されている。該センサ板２８０は、送信器１４４のセンサハウジング２５５中に配置され、また出力回路板２８２は、該送信器１４４の電子モジュール２５７の中に配置される。
【００１５】
該出力回路板２８２は、入力／出力回路４０２を含み、該回路は、制御ループ１４８からの電力をバス４０８上の電源電圧に変換する。多重チャンネルのアナログ／デジタル変換器４１２は、差圧センサ２５２に接続されており、感知された差圧を示すバス４１４上の信号をマイクロプロセッサ４１６に提供する。他の実施形態として、アナログ／デジタル変換器４１２は、また温度センサ４１０と絶対圧力センサ３１０からの信号を受信する。記憶装置４１８は、センサとセンサ板２８０の情報を蓄積することが好ましい。該システムは、クロック４２２からのクロック信号４２０に従って作動する。送信器１４４の出力が、アナログであった場合は、デジタル／アナログ変換器４２４は、バス４１４上のデジタル信号を、アナログ信号に変換し、該信号は、アナログ線４２８に沿って入力／出力回路４０２に送られる。一方、該送信器１４４の出力が、フィールドバスプロトコルのようにデジタルであった場合、あるいはＨＡＲＴプロトコルのようにアナログとデジタルの混合であった場合は、バス４１４上の該デジタル信号は、入力／出力回路４０２に直接送られる。
【００１６】
マイクロプロセッサ４２６は、バス４１４上の信号を受信し、不揮発性記憶装置４３０とランダムアクセスメモリ４３２に接続されている。マイクロプロセッサ４２６は、また入力／出力回路４０２から双方向バス４３４を経てデジタル信号を受信する。該入力／出力回路４０２から受信されたデジタル信号の例は、パイプの直径と、パイプの相対粗さを示す信号を含み、該相対粗さは、下記に解説されている質量流量を計算するのに使用することができる。
【００１７】
本発明の利点の一つは、殆ど経験により決定された項（terms）を使用しないで質量流量の計算を容易に行うことができ、従って、より正確な計算結果を得ることができる。以前は、質量流量は、オリフィス板と次の方程式を用いて計算された：
Ｑ_mass＝ＮＣ_dＥＹ₁ｄ²√（ΔＰ）ρ （式１）
ここで、Ｑ_massは質量流量、Ｎは単位換算係数、Ｃ_dは放出係数、Ｅは接近流速係数、Ｙ₁はガス膨張係数、ｄは差圧生成器の内径、ρは流体の比重、Ｐは差圧センサにより計測された差圧である。これらの多数の項は、パイプの中の特定の流体に適合させるために調整しなければならず、またその中のいくつかの項は、流体の温度あるいは静的圧力の変化に適合するように引続き微調整を行う必要がある。
【００１８】
オリフィス板が無い時には、複数の係数が、方程式１から除去される。特に、Ｅ、即ち接近流速係数と、Ｙ₁、即ちガス膨張係数と、またｄ、即ち差圧生成器の内径は、本発明の下では各々定数である。従って、本発明に基づく質量流量に対する方程式は、下記のとおり短くなる：
Ｑ_mass＝Ｃ_dｋ₁√（ΔＰ）ρ （式２）
ここで、ｋ₁は定数、Ｃ_dは摩擦係数、Ｐは差圧、ρは流体の比重である。
【００１９】
従来の技術によるシステムでは、放出係数のＣ_dは、オリフィス板の孔の形状と、また同時に流体の速度と、比重と、粘度の関数である。本発明では、放出係数は、二個の変数、即ちレイノルズ数とパイプの摩擦係数の関数である摩擦係数に変換される。
【００２０】
図５のグラフの中で示されているとおり、摩擦係数は、レイノルズ数と、またパイプの相対粗さに関係する。図５の中で、レイノルズ数は、横軸４８０上に示されており、摩擦係数は、左側の縦軸４８２上に示されており、またパイプの相対粗さは右側の縦軸４８４上に示されている。５・１０³以下の小さいレイノルズ数に対しては、摩擦係数とレイノルズ数との間の関係は、直線的であり、パイプの相対粗さとは無関係である。より大きなレイノルズ数に対しては、摩擦係数とレイノルズ数との間の関係は、パイプの相対粗さにより左右される。該関係は、送信器のルックアップテーブルの中に蓄積できる、あるいは実験式に基づいて計算されることができる。
【００２１】
図５の中で、摩擦係数とレイノルズ数との間の種々の関係を示す複数の種々の線が、種々の相対粗さに対して示されている。例えば、線４８６は、パイプの相対粗さが０．０３の所の摩擦係数とレイノルズ数との間の関係を示している。
【００２２】
レイノルズ数は、質量流量の関数であり、下記の方程式を用いて計算されることができる：
Ｒ_D＝４Ｑ／πＤμ （式３）
ここで、Ｒ_Dはレイノルズ数、Ｑは質量流量、πは数学的定数、Ｄはパイプの内径、μは流体の粘度である。
【００２３】
これらの変数が相関関係にあるので、方程式２と３を、反復アプローチを通して解くことができる。該アプローチは、図６のフローチャートの中に示されている。第１段階７００で、流体の圧力と温度から比重と粘度を計算する。次の段階で、公称摩擦係数が、段階７０２の所で選択される。該公称値は、特定の流体の流れに対して予測される摩擦係数に基づいて選択される。段階７０４で、公称摩擦係数と下記の方程式を利用して、質量流量Ｑ_i-1を計算する：
Ｑ_i-1＝Ｃ_d-nomｋ₁√（ΔＰ）√ρ （式４）
ここで、Ｑ_i-1は質量流量、Ｃ_d-nomは公称摩擦係数、ｋ₁は定数、Ｐは差圧、ρは流体の比重である。
【００２４】
レイノルズ数のＲ_Dは、方程式３と方程式４のＱ_i-1を使用して、段階７０６の中で計算される。計算されたＲ_Dと、該Ｒ_Dと摩擦係数Ｃ_dとの間の経験的又は理論的関係に基づいて、段階７０８で、摩擦係数Ｃ_dの数値を計算する。
【００２５】
段階７１０で、方程式２と計算された摩擦係数Ｃ_dを使用して、現在の質量流量Ｑ_iを計算する。決定段階７１２で、現在の質量流量Ｑ_iと以前に計算された質量流量Ｑ_i-1との間の差に対する収斂基準を比較する。現在の質量流量と以前に計算された質量流量との間の差が、収斂基準より小さい場合は、現在の質量流量のＱ_iは、段階７１４で計算された流量として出力される。二個の質量流量との間の差が、収斂基準より小さくない場合は、 現在の質量流量の数値は、段階７１６の中で以前の質量流量Ｑ_i-1として割り当てられ、段階７０６と７０８と７１０と７１２が、反復される。
【００２６】
更に計算を簡素化するために、比重と粘度を、定数と推定することができる。比重と粘度を定数と推定した場合の質量流量を計算するための方法のフローチャートは、図７に示されており、この場合、公称摩擦係数は、段階７２０で選択される。該公称摩擦係数は、段階７２２で、次の方程式を使用して質量流量Ｑ_i-1を計算するのに使用される：
Ｑ_i-1＝Ｃ_d-nomｋ₂√（ΔＰ） （式５）
ここで、Ｃ_d-nomは公称摩擦係数、Ｋ₂は定数、Ｐは差圧である。Ｋ₂の特定の数値は、パイプの内径と差圧ポート間の距離を含む要因より左右される。段階７２４では、計算された質量流量Ｑ_i-1は、下記の方程式を使用してレイノルズ数のＲ_Dを計算するのに使用される：
Ｒ_D＝ｋ₃Ｑ_i-1 （式６）
ここで、Ｋ₃は、流れの粘性、パイプの内径の積で割られた４に等しい定数である。
【００２７】
計算されたＲ_Dに基づいて、摩擦係数Ｃ_dは、段階７２６の中で計算される。該摩擦係数は、Ｒ_DとＣ_dの間の経験的関係あるいは理論的関係のいずれかを基礎とすることができる。Ｃ_dが、計算されたら、現在の質量流量Ｑ_iは、下記の方程式を使用して段階７２８で計算される：
Ｑ_i＝Ｃ_dｋ₂√（ΔＰ） （式７）
ここで、Ｋ₂は方程式５の中で使用されたものと同じ定数である。
【００２８】
決定ボックス７３０では、現在の質量流量Ｑ_iは、該二つの間の差が、収斂基準より小さいかどうかを決定するために、以前の質量流量Ｑ_i-1と比較される。収斂基準より小さい場合は、現在の質量流量Ｑ_iは、段階７３２の中の質量流量として出力される。該差が、収斂基準より小さくない場合は、以前の質量流量Ｑ_i-1が、段階７３４で現在の質量流量の数値に設定され、段階７２４と７２６と７２８と７３０が、反復される。
【００２９】
充分に高いレイノルズ数の所では、摩擦係数は一定であり、質量流量は、レイノルズ数、粘度あるいは流体の比重により左右されない。そのようなレイノルズ数に対して、質量流量を計算するための方程式は、次のとおりとなる：
Ｑ＝ｋ₄√（ΔＰ）√ρ （式８）
ここで、Ｑは質量流量、ρは比重、Ｋ₄は定数、Ｐは差圧である。摩擦係数が定数であるので、係数Ｋ₄に折り込まれる。レイノルズ数が定数と見なされる場合は、反復の必要はない。
【００３０】
本発明では、複数の異なるポートの形状を利用することができる。例えば、図８で、本発明の送信器５２０は、開口部５３０と５３２のそれぞれを経由して環状スリーブ５２６と５２８の内部に流体的に連絡している衝撃パイプ５２２と５２４に接続されている。該スリーブ５２６は、環状間隙５４２が、二個のパイプ部分５３４と５３６の間で維持されるように、環状溶接５３８と５４０の所で該パイプ部分５３４と５３６にそれぞれ溶接されている。同様に、スリーブ５２８は、間隙５５０が、二個のパイプ部分５４４と５３６の間で維持されるように、環状溶接５４６と５４８により該パイプ部分５４４と５３６にそれぞれ接続されている。環状スリーブ５２６と５２８は、流れの中の局部的渦が原因の圧力読み込みエラーを取り除くのに役立つ。
【００３１】
図９は、ポートのパイプへの接続の第２の実施形態を示している。特に、ポート５８２は、丸いのではなく、一般的な流体の流れの方向５８６の寸法より大きい、一般的な流体の流れの方向５８６に対して横断する寸法を有する楕円形の開口部を形成している。
【００３２】
図１０は、本発明の圧力送信器組立体６０１を示しており、該送信器は、制御線６０６を経由して制御モジュール６０４に接続されている送信器６０２を含む。該送信器６０２は、第１導管６１０と、第２導管６１４、第３導管６１６および第４導管６１８から構築されている導管組立体６１２とを経由してパイプ６０８に接続されている。バルブ組立体６２６のバルブ６２０、６２２および６２４は、導管６１４、６１６および６１８をそれぞれパイプ６０８から分離している。該バルブ６２０、６２２および６２４は、該制御線６２８、６３０および６３２によりそれぞれ制御され、該制御線は、送信器６０２に接続されている。バルブ６２０、６２２および６２４は、該送信器６０２により直接に、あるいは該送信器６０２を経由して制御モジュール６０４により制御される。
【００３３】
圧力送信器組立体６０１は、圧力送信器６０２の中の圧力センサを、パイプの長さに沿った異なる場所に取り付けることを許可する。流体の流れが、導管６１０と６１４の間で充分な差圧を生成しない場合は、バルブ６２０と６２４は、閉じられ、バルブ６２２が開かれる。バルブ６２０と６２４を閉じて、バルブ６２２を開くことで、差圧を、導管６１０と６１６の間で計測できる。導管６１６は導管６１０から遠くに配置されているので、導管６１０から導管６１６までの圧力降下は、導管６１０から導管６１４までの圧力降下より大きい。センサに接続されている二本の導管の間の圧力降下を増やすことで、差圧が、センサの感知範囲でセンサに送り込まれることができる。
【００３４】
同様に、流体の流れが、導管６１０と６１８の間の差圧を生成し過ぎた場合は、バルブ６２４を閉じて、バルブ６２０を開いて、センサに送り込まれる差圧を減らすことができる。同様に、導管６１６と６１０の間の圧力が、センサのために大き過ぎる場合は、バルブ６２２と６２４を閉じて、バルブ６２０を開いて、計測された圧力降下が、導管６１０と６１４の間にあるようにすることができる。
【００３５】
計算を容易にするために、送信器を、好ましい相対粗さをもつように製造されたパイプのスプールと連動させることができる。該スプール部分の概略は、図２に示されており、該図の中で、二個のフランジが付いた端５０８と５１０が、パイプ１３２の両端に形成されており、該スプール部分が、パイプラインの中の開口部の中に落ちるように、または該開口部に接続されるようにすることができる。サンドブラストのような研磨、あるいはパイプの表面の全部あるいは一部に対する螺旋状溝切りを通して、パイプの鋳造過程で、該スプールの粗さが生成される可能性がある。
【００３６】
本発明は、好ましい実施形態を引用して説明されたが、当業者は、本発明の精神と範囲を逸脱しないで形態と詳細を変更することができることが分かるはずである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来の技術による質量流量計測システムである。
【図４】 図３の送信器に連動する調節回路のブロック線図である。
【図５】 摩擦係数とパイプの粗さの関数としてのレイノルズ数のグラフである。
【図６】 本発明に従って質量流量を計算するための方法のフローチャートである。
【図７】 本発明に従って質量流量を計算するための第２の方法のフローチャートである。
【符号の説明】
１３０……圧力計測システム、１３２……パイプ、１３６、１３８……開口部、１４０、１４２……衝撃パイプ、１４４……送信器、１４６……制御室、１４８……プロセス制御ループ、

Claims (6)

1. パイプの中の流量を示す信号を生成するための送信器において、
   第１と第２の位置の間でほぼ一定の断面積を有するパイプ部分で分離されている流れの中で該第１位置と第２位置に流体的に送信器を連結するための第１と第２のポートと、
   該第１と第２のポートに流体的に連結され、該第１のポートと第２のポートの所の圧力に反応してセンサの出力を提供するのに適している圧力センサと、
   圧力センサの出力を受信し、かつ前記第１のポートの圧力と前記第２のポートの圧力の関数である、少なくとも流量に関係する一つのデジタル値を提供するため前記圧力センサに接続されている回路から成り、
   前記第１のポートが、前記パイプに設けられた開口部を経由してパイプの中の流れに流体的に接続され、前記開口部が、パイプ中の流体の流れの方向に対して横断する寸法と流体の流れの方向に平行する寸法とをもち、該流体の流れの方向を横断する寸法が、流体の流れの方向に平行な寸法より大きいことを特徴とする送信器。
2. 第１の位置と第２の位置の間のパイプの部分は、該パイプ部分の摩擦係数がレイノルズ数のある範囲にわたって一定となるような、内径比に対する粗さを有することを特徴とする請求項１に記載されている送信器。
3. 前記送信器が、温度信号を提供するための温度センサと、絶対圧力信号を生成するための絶対圧力センサから成り、また前記回路が、温度信号、絶対圧力信号およびセンサの出力を示す信号を受信するためのマイクロプロセッサから成り、パイプの中の質量流量を計算できることを特徴とする請求項１に記載されている送信器。
4. 前記パイプが互いに分離された２個のパイプ部分からなり、該２個の分離されたパイプ部分の外周には、該２個のパイプ部分の対向端面間に前記開口部としての環状間隙を維持するスリーブが密着接合されており、
   前記スリーブには、前記間隙を介してパイプと第１のポートとの間を流体的に接続させることができる孔が形成されていることを特徴とする請求項１に記載されている送信器。
5. 第２のポートが、導管組立体とバルブ組立体の一部を経由して流体的にパイプの中の流れに接続され、該導管組立体と該バルブ組立体が、第２の位置を選択するためのものであり、該導管組立体が、少なくとも二本の導管を有し、各導管が、第２のポートと流体的に連絡している第１端と、またパイプの流れと流体的に連絡している第２端を有し、各導管が、各導管の第１端と第２端の間にバルブ組立体の関連するバルブを有し、各バルブが、関連する該導管の第１端と第２端の間の流体の連絡を制御するものであることを特徴とする請求項１に記載されている送信器。
6. 第１導管の第２端が、パイプに沿った第１の位置からの第１距離であり、第２導管の第２端が、パイプに沿った第１の位置からの第２距離であり、該第２距離が、第１距離より大きいことを特徴とする請求項５に記載されている送信器。

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