JP4865041B2 - 温度補正付き渦流量計 - Google Patents

Description

工業プロセス装置において、配管システムを通る流体の流速を測定するために渦流量計が使用される。渦流量計は電子式送信機および渦メータハウジングを有している。渦メータハウジングは流体の流れを通し、流体の流れの中でブラッフボディを支持する。渦メータハウジングは一般的に全体に筒状であり、配管システムのフランジ間に取り付けられる。

流体の流れがブラッフボディを通過することによって渦が生じる。渦の発生はおおよそ流速に比例している。渦周波数は電子式送信機によって測定され、流速を示す流量計出力を計算するために使用される。

第１の形式の渦流量計（図１に関して以下に述べる）は、流体の温度と圧力とを感知するための付加的なセンサを含んでおり、渦周波数、温度および圧力から質量流量を計算することができる。第２の形式の渦流量計は、圧力および温度センサを有しておらず、したがって、質量流量を計算することができない。第２の形式の渦流量計は第１の形式の渦流量計よりも一般的に安価である。第２の形式の渦流量計は、主に、温度が割合に一定しているか、または密度が温度の影響を比較的受けにくい液体の流れのような用途に使用される。

米国特許第６、６５８、９４５号公報 米国特許第６、１７０、３３８号公報

多数のラインサイズについて異なる２形式の流量計を製造することは、コストを大幅に増大させ、製造を複雑にし、かつ渦流量計の在庫を増やす。

渦流量計が開示される。渦流量計は渦センサを備える。渦センサは流れを感知する。渦センサは渦センサ出力を提供する。

渦流量計は渦流量計から離れている第１のサーモウェル・アセンブリからの第１熱電接点出力を受け取る第１端子を備える。渦流量計はサーモウェル・アセンブリの熱特性を表すデータを受け取るデータ入力部を備える。

渦流量計は回路を備える。回路はデータを受け取る。回路は第１熱電接点出力を受け取る。回路は渦センサ出力を受け取る。回路は流量計出力を提供する。流量計出力は温度および熱特性に応じて補正される。

従来技術の渦流量計を示す図である。 温度補正を有する第１の渦流量計を示す図である。 温度補正を有する第１の渦流量計を示す図である。 温度補正を有する第２の渦流量計を示す図である。 温度補正を有する第２の渦流量計を示す図である。 温度補正を有する第３の渦流量計のブロック図である。 温度補正を有する第４の渦流量計のブロック図である。 サーモウェルを示す図である。 サーモウェルを示す図である。 サーモウェルを示す図である。 サーモウェルを示す図である。 サーモウェルを示す図である。 サーモウェルを示す図である。 熱電接点部のケーブルを示す図である。

本願で記載され、用いられているように、「熱電対」という用語は、第１の材料からなる第１の導体によって互いに電気的に結合された二つの熱電接点からなる回路を意味する。本願で用いられているように、「熱電接点」という用語は第１の材料と第２の材料との間の接点を意味する。

以下に記述する実施形態では、渦流量計は渦流量計から離れている位置にあるサーモウェル・アセンブリ内で熱電接点に接続される。渦流量計はサーモウェル・アセンブリの熱特性を表すデータを受け取る。渦流量計内の回路は熱電接点の出力および渦センサ出力を受け取る。この回路は、温度に応じて補正されるとともに熱特性に応じて補正される流量計出力を提供する。

図１に示すように、第１の形式の渦流量計は、例えば、参照によって本願に組み入れられるクレビン(Kleven)の米国特許第６、６５８、９４５号およびクレビン他の米国特許第６、１７０、３３８号に開示されているような、流体温度を測定するためのセンサを含んでいる。図１は、接合フランジ１０８および１１０間を接続している渦メータハウジング１０６に取り付けられた温度センサ１０２および圧力タップ１０４を含んでいる従来技術の第１形式の流量計１００を示す。接続モジュール１１４内の圧力センサ１１２は管１１６によって圧力タップ１０４に接続される。温度センサ１０２および圧力タップ１０４はブラッフボディ１２０から下流に位置する流線型ボディ１１８内に取り付けられる。流線型ボディ１１８は温度センサ１０２を受け入れる内部凹部を含んでいる。流線型ボディ１１８は渦メータハウジング１０６に取り付けられ、渦メータハウジング１０６内の凹部１２６を通って延びている。信号線１２２は送信機ハウジング１２８内に位置する電子式送信機１２４に温度センサ１０２を接続する。送信機ハウジング１２８は接続モジュール１１４に取り付けられ、接続モジュール１１４は支持管１３０上に取り付けられ、さらに支持管１３０は渦メータハウジング１０６上に取り付けられる。圧力および温度センサが必要とされない用途では、凹部１２６を加工し、流線型ボディ１１８を備え、そして温度センサ１０２および圧力センサ１１２を備えることにより渦流量計１００のコストが不必要に増大する。

また、遠隔サーモウェル・アセンブリに関連して、エネルギ交換プロセスを通じて流体内で発生したり失われたりする熱量を示す「熱収支：heat accountability」出力を提供することが可能な機能を有する渦流量計を提供するという要望もある。図４、５、７、８〜１４に関して以下に記述するように、かかる熱収支出力を提供する渦流量計を開示する。

図２は、渦流量計２００を示す。渦流量計２００は送信機ハウジング２０２を備える。電子回路２０４は送信機ハウジング２０２内に収容される。電子回路２０４はケーブル２０６上に流量計出力を提供する。流量計出力２０６はアナログ出力もしくはデジタル出力またはその両方であってもよい。渦流量計２００は、配管システムと接合するためのフランジ２１６、２１８（図３）を有する渦メータハウジング２０８を備える。シェディングバー（ブラッフボディとも呼ぶ）２１０が渦メータハウジング２０８内に支持される。流体がシェディングバー２１０を通過するときにシェディングバー２１０によって流体の渦が発生する。シェディングバー２１０の近くの渦センサ（図６および７に図示されている）が渦を感知する。電子回路２０４は渦センサによって感知された渦周波数の関数としての流量計出力２０６を計算する。携帯データ入力端末２１２は、据え付け時にケーブル２１４を介して電子回路２０４と通信するために使用される。また、ケーブル２０６を経由して制御システムからデータが通信される。渦流量計２００はデータを受け取るデータ入力部を含んでいる。

図３は、渦流量計２００を含む流量測定装置２２０を示す。フランジ２１６、２１８は流体配管システム２２６、２２８のフランジ２２２、２２４に図示のごとくボルト締めされる。流体は流体配管システム２２６、２２８及び渦流量計２００を通って流れる。流体は液体または気体からなる。

サーモウェル・アセンブリ２３０が電気ケーブル２３２を介して渦流量計２００に接続される。サーモウェル・アセンブリ２３０は渦流量計２００から離れている。サーモウェル・アセンブリ２３０は配管システム２２６、２２８に取り付けられて流体温度を感知する。サーモウェル・アセンブリ２３０はサーモウェルの内側に熱電接点を備える。サーモウェルは、温度感知素子を受け入れ可能な耐圧リセプタクルであり、配管またはその他の圧力容器に対する耐圧取付部を備えている。サーモウェル・アセンブリ２３０は、図８〜１３に記載されている例によって以下に詳細に記述される。電気ケーブル２３２は図１４に示した例によって以下に詳細に記述される。

サーモウェル・アセンブリ２３０に対する渦流量計２００の接続は任意である。ある種の装置では、温度補正が必要とされず、したがって、サーモウェル・アセンブリ２３０の据え付けコストは避けられる。その他の装置では、温度補正が必要とされ、したがって、サーモウェル・アセンブリ２３０が接続される。同形式の渦流量計２００を、双方の装置に使用することができる。サーモウェル・アセンブリ２３０は（図３に示されているように）渦流量計の下流に接続することができるが、逆に上流に取り付けることもできる。流量測定装置２２０は、図６に示した典型的なブロック図によってより詳細に説明する。

図４は渦流量計４００を示す。渦流量計４００は送信機ハウジング４０２を備える。電子回路４０４は送信機ハウジング４０２内に囲い込まれる。電子回路４０４はケーブル４０６上に流量計出力を提供する。流量計出力４０６はアナログ出力もしくはデジタル出力、またはその両方であってもよい。渦流量計４００は配管システムに対するシールのためのシーリング面４１６、４１８（図５）を備えるフランジ無し渦メータハウジング４０８を備える。シェディングバー（ブラッフボディとも呼ぶ）４１０が渦メータハウジング４０８内に支持される。流体がシェディングバー４１０を通過した際、シェディングバー４１０によって流体の渦が発生する。シェディングバー４１０の近くの渦センサ（図６、７に示されている）で渦を感知する。電子回路４０４は渦センサによって感知された渦の周波数の関数としてケーブル４０６上への流量計出力を計算する。携帯データ入力端末４１２は、据え付け時にケーブル４１４を介して電子回路４０４と通信するために使用される。また、ケーブル４０６を経由して制御系からデータが通信される。渦流量計４００はデータを受け取るデータ入力部を含んでいる。

図５は、フランジ無し渦流量計４００を含んでいる流量測定装置４２０を示す。シーリング面４１６、４１８は図示のように流体配管システム４２６、４２８のフランジ４２２、４２４をシールする。フランジ４２２、４２４をシーリング面４１６、４１８に圧縮するために長尺ボルト４４２、４４４が使用される。流体は流体配管システム４２６、４２８および渦流量計４００を通って流れる。流体は液体または気体からなる。

第１のサーモウェル・アセンブリ４３０が電気的ケーブル４３２を経由して渦流量計４００に接続される。第２のサーモウェル・アセンブリ４３４が電気ケーブル４３６を経由して渦流量計４００に接続される。サーモウェル・アセンブリ４３０、４３４は流体温度を感知するために配管システム４２６に取り付けられる。サーモウェル・アセンブリ４３０、４３４はサーモウェル内側に熱電接点を備える。サーモウェル・アセンブリ４３０、４３４は図８〜１３に示す例によって、以下により詳細に記述される。電気ケーブル４３２、４３６は図１４に示す例によって、以下により詳細に説明される。

サーモウェル・アセンブリ４３４はエネルギ交換プロセス４４０の上流位置で配管システム４２６上に据え付けられる。サーモウェル・アセンブリ４３０は、エネルギ交換プロセス４４０の下流位置で、配管システム４２６上に据え付けられる。エネルギ交換プロセス４４０は流れている流体に熱を加えるか、流体から熱を除去するためのどのようなプロセスであってもよい。一つの形態では、エネルギ交換プロセス４４０は、流れている流体から熱を除去する熱交換器を備える。他の形態では、エネルギ交換プロセス４４０は流れている流体に熱を加えるボイラを備える。流量測定装置４２０は、図７に示した典型的なブロック図によって以下により詳細に記述される。図５の記載では熱電対に対する二つの分離した接合部を記述したが、熱電対は送信機から離れて、両方が入力端子の単一ペアに接続されてもよい。

図６は渦流量計６０２のブロック図を示す。渦流量計６０２は第１のサーモウェル６０８（図７参照）内に取り付けられる第１熱電接点（Ｔｆ）６０６にケーブル６０４で接続される。第１熱電接点６０６は、例えば図３に示すように渦流量計６０２から離れている。第１熱電接点６０６は、渦流量計６０２を通って流れ、かつ熱電接点６０６を通って流れる流体の温度Ｔ１を感知する。ケーブル６０４は、熱電対電圧測定および温度計算回路６７０を冷接点温度センサ６７２に接続する。熱電対電圧測定および温度計算回路６７０は熱電対（熱電接点）６０６の温度に関する出力を回路６４８に供給するように構成される。

渦流量計６０２は渦センサ６１０を備える。渦センサ６１０は、流体の流れ内のシェディングバーまたはその近傍に取り付けられる。渦センサ６１０は、流体の流れ６１２中の渦を感知する。渦センサ６１０は一般的に差圧センサからなるが、その他、周知形式の渦センサからなるものであってもよい。渦センサ６１０は流体の流れ６１２を感知して渦センサ出力６１４を提供する。一つの形態では、渦センサ出力６１４は流速に比例する周波数からなる。

一つの形態では、渦流量計６０２は熱電対６０６の熱特性を表す第１データを受け取る第１データ入力部６２４を備える。第１データ入力部６２４の第１データは第１熱電接点６０６に関する熱電対の形式の識別情報を含んでいる。一つの形態では、第１データはＮ型またはＥ型の熱電接点など、熱電接点の識別情報を含んでいる。

一つの形態によれば、渦流量計６０２は、入力部６２４を通して計算アルゴリズムをも受け取る。計算アルゴリズムは、該計算アルゴリズムをメモリ６４９内に格納する回路６４８に供給される。計算アルゴリズムは、渦センサ出力６１４の関数として流量メータ出力（流量測定値出力）６３２を計算するために用いられ、熱電対６０６によって測定された温度に関して流量計出力６３２を補正する。

一つの形態によれば、渦流量計６０２は圧力データ入力部６３４を備える。圧力データ入力部は圧力データを受け取る。圧力データは圧力データ入力部から計算回路６４８に接続される。圧力データは流体の圧力を表す。圧力データは、例えば、圧力センサによって供給される。

一つの形態では、携帯通信機６３６またはその他のデバイスつまりデータ入力源は、少なくともいくつかのデータ入力部にデータを与える。その他の形態によれば、携帯通信機はミネソタ州エデンプレーリーのローズマウント社から出ているモデル３７５フィールド通信機からなる。一つの形態では、データ入力部は携帯通信機および渦流量計間に設けられる２線式プロセス制御ループを有する線のペア上でデジタル通信される。その他の通信技術の例では無線通信を使用する。渦流量計６０２は温度Ｔ１を計算する回路を含んでいる。回路６７０は熱特性Ｋが修正された流体温度推定値を計算する。

回路６４８は流体温度Ｔ１に関して補正された流体測定値出力６３２を計算する。一つの形態では流量測定値出力６３２は体積流量出力からなる。その他の形態では、流量測定値出力６３２は質量流量出力からなる。回路６４８は、例えば、携帯通信機により、体積流量計または質量流量計として機能するように遠隔でプログラムされることができる。

図７は渦流量計７０２のブロック図を示す。図７中の多くの要素は図６に記載された要素と同一または同等であるので、同一の参照番号によって識別する。渦流量計７０２は第１のサーモウェル６０８内の第１熱電接点６０６および第２のサーモウェル７０４内の第２熱電接点７０６に接続される。第１熱電接点６０６はエネルギ交換プロセスの下流にある導管内の流体に熱的に結合される。一つの形態では、エネルギ交換プロセスは流体から熱を抽出して流体を冷却する。その他の形態では、エネルギ変換プロセスは流体に熱を供給して流体を加熱する。第２のサーモウェル７０４はエネルギ交換プロセスの上流にある導管内の流体に熱的に結合される。例示構成は図５に関して上述したとおりである。第１熱電接点６０６および第２熱電接点７０６は渦流量計７０２で一緒に接続され、エネルギ交換プロセス両端の温度差を感知する熱電対を形成する。

温度差計算回路７０８は温度差を計算し、温度差推定値７１４を提供する。温度差推定値７１４は熱電対電圧およびデータ入力部６２４および６２６の入力データの関数である。

熱流量計算回路７１０は、エネルギ交換プロセス内の熱流量を表す熱流量測定値出力７１２を生成する。一つの形態では熱流量測定値出力７１２は、例えば、時間当たりのＢＴＵ（英国熱量単位）での熱流の速度からなる。その他の形態では、熱流量測定値出力７１２は合計出力であり、例えば、合計量をリセットしてからの、交換されたＢＴＵの合計数である交換熱量の合計を表す。渦流量計はしたがってエネルギ交換器によって使用された加熱量または冷却量の収支つまり明細のための熱収支メータとして使用される。

熱流量計算回路７１０は温度差推定値７１４および流体流量を表す渦センサ出力６１４の関数として熱流量測定値出力７１２を発生する。一つの形態によれば、熱流量測定値出力は圧力データ６３４の関数として計算されることもできる。熱流量計算は携帯通信機６３６から受信した、格納された計算アルゴリズムに従って計算される。一つの形態では、熱流量は質量流量とエンタルピ変化との積であり、ここで、質量流量は体積流量と密度との積であり、密度およびエンタルピは温度の関数である。

渦流量計６０２、７０２は計算を実行し出力を発生するプロセッサを使用することによって実現できる。プログラマブル渦流量計もまた、渦流量計６０２（体積または質量流量であることができる）の機能または渦流量計７０２の機能を実現するようにプログラムできるプロセッサによって実現できる。単一の渦流量計製品が、体積流体流量出力、質量流量出力、または熱流量出力を提供するために携帯デバイス６３６を使用することによって現場内でプログラムされることができる。

図８、９は導管上のパイプフランジ（図示しない）にボルト止めできるサーモウェルフランジ８０４を含む典型的サーモウェル８０２を示す。図１０、１１は導管上のねじ孔（図示しない）内に螺入できるねじ付きカラー８１４を含んでいる典型的サーモウェル８１２を示す。図１２、１３は導管内の孔（図示しない）に溶接されることができるネック８２４を含んでいる典型的サーモウェル８２２を示す。

図１４は渦流量計の端子にサーマルウェル内の熱電接点を接続するのに使用するためのケーブル１４０２の例を示す。図１４において、ケーブルの部分はケーブルの内部構造を示すために除去している。ケーブル１４０２はケーブルの外周の周りにスパイラル状に巻かれた外側ジャケット１４０４を備える。外側ジャケット１４０４はケーブルの摩滅や引っ張りによる機械的損傷から内部層を保護する。ブレード付金属遮蔽１４０６が外側ジャケット１４０４の内側に設けられる。ブレード付金属遮蔽１４０６が、熱電接点の配線によるＥＭＩピックアップを低減するための静電遮蔽に設けられる。１対の導体１４０８、１４１０がブレード付き金属遮蔽の内側に設けられる。導体１４０８、１４１０は絶縁導体であり、電気的絶縁部１４１２、１４１４によって囲まれている。一つの形態では、導体１４０８、１４１０は熱電接点を形成するために使用される金属で形成される。

本発明は、好ましい実施形態によって説明されたが、当業者は、本発明の精神および範囲から離れることなく形式および詳細を変形できることを認識するであろう。

１０２…温度センサ
１０４…圧力タップ
１０６、２０８…渦メータハウジング
１１２…圧力センサ
１１８…流線型ボディ
１２０…ブラッフボディ
１２４…電子式送信機
２２０…流量測定装置
２２６、２２８…流体配管システム
２３０…サーモウェル・アセンブリ
６０２…渦流量計
６０６…第１熱電接点
６１０…渦センサ
６２４…第１データ入力部
６４８…流量測定および質量流量並びにエネルギ計算回路
６７０…熱電対電圧測定および温度計算回路

Claims (20)

1. 渦流量計において、
   流量を感知して渦センサ出力を提供する渦センサと、
   渦流量計から離れている第１のサーモウェル・アセンブリからの第１熱電接点出力を受け取る第１の端子と、
   前記第１のサーモウェル・アセンブリの熱特性を表すデータを受け取るデータ入力部と、
   前記熱特性を表すデータ、前記第１熱電接点出力および前記渦センサ出力を受け取り、温度および熱特性に対して補正をした流量計出力を提供する回路と備えている渦流量計。
2. 前記熱特性が、熱電対の形式である請求項１記載の渦流量計。
3. 前記流量計出力が、質量流量出力である請求項１記載の渦流量計。
4. 前記流量計出力が、熱流量測定値出力である請求項１記載の渦流量計。
5. 前記熱流量測定値出力が、エネルギ交換プロセスの熱収支である請求項４記載の渦流量計。
6. 前記回路が、さらに、渦流量計から離れている第２のサーモウェル・アセンブリからの第２熱電接点出力を受け取るように構成されている請求項１記載の渦流量計。
7. 前記流量計出力が、熱流量測定値出力である請求項６記載の渦流量計。
8. 前記回路が、前記第１および第２のサーモウェル・アセンブリ間の温度差を計算するものである請求項６記載の渦流量計。
9. 前記回路が、前記第１のサーモウェル・アセンブリの温度と、前記第２のサーモウェル・アセンブリの温度との差を計算する請求項６記載の渦流量計。
10. 流体の圧力を表すデータを受け取るための回路に接続されるデータ入力部をさらに備えている請求項１記載の渦流量計。
11. 流量計出力を計算する計算アルゴリズムを受け取るための回路に接続されたデータ入力部をさらに備えている請求項１記載の渦流量計。
12. 前記回路が、周囲温度センサを備えている請求項１記載の渦流量計。
13. 渦流量測定を実行する方法において、
    流れ中の渦を感知して渦センサ出力を提供し、
    渦流量計から離れた位置に第１のサーモウェル・アセンブリを配置し、
    前記第１のサーモウェル・アセンブリの熱特性に関するデータを受け取り、
    前記第１のサーモウェル・アセンブリからの第１熱電接点出力を受け取り、
    渦センサ出力と、データおよび第１熱電接点出力に対して補正された流量計出力とに基づいて流量計出力を提供する方法。
14. 流量計出力としての質量流量出力を提供する請求項１３記載の方法。
15. 流量計出力として熱流量測定値を提供する請求項１３記載の方法。
16. エネルギ交換プロセスの熱収支としての熱流量測定値出力を提供する請求項１５記載の方法。
17. 流量測定装置において、
    パイプライン上に取り付けられた第１のサーモウェル・アセンブリと、
    前記パイプライン上に前記第１のサーモウェル・アセンブリから離れて取り付けられた渦流量計とを備え、
    前記渦流量計が、
    流量を感知して渦センサ出力を提供する渦センサと、
    前記第１のサーモウェル・アセンブリの熱特性を表すデータを受け取るデータ入力部と、
    前記第１のサーモウェル・アセンブリからの第１熱電接点出力を受け取る第１の端子と、
    前記熱特性を表すデータ、前記第１熱電接点出力および渦センサ出力を受け取り、温度に対して補正された流量計出力を提供する回路とからなる流量測定装置。
18. 前記流量計出力が質量流量出力からなる請求項１７記載の流量測定装置。
19. 前記流量計出力が熱流量測定値出力からなる請求項１７記載の流量測定装置。
20. 前記値通流量測定値出力が、エネルギ交換プロセスの熱収支からなる請求項１９記載の流量測定装置。

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