JP5097132B2 - プロセス変量トランスミッタにおける多相オーバーリーディング補正 - Google Patents

Description

多くのプロセス装置では、プロセス流体は、プロセス配管などの導管の中を流れる。プロセス流体は、液体であったり、気体であったり、又はそれら二つの組み合わせであったりする。プロセス流体が完全に液体、又は完全に気体、というような用途においては、例えば質量流のような流体パラメタの計算は比較的簡単である。しかしながら、プロセス流体が液体及び気体の組み合わせである用途においては、流体パラメタの計算はより困難である。一般に気体が混ざっている液体を含んでいる（例えば多相の）プロセス流体の例には、湿り蒸気や天然ガスが含まれる。

多くの天然ガス抗口用途では、気体蒸気中に混入された多量の液体が存在する。この液体の存在は、気体流測定において重大な誤差を生じさせることがある。誤差の一つのタイプは、時にオーバーリーディングと呼ばれるものである。オーバーリーディングは、差圧センサが実際の気体流を多めに読んだときに生じる。オーバーリーディングの量は、多くの場合、ロックハート・マルチネリパラメタと相関しており、ロックハート・マルチネリパラメタは全気体質量流を全液体質量流と関連させる。多くのパラメタを測定し、流れパラメタを算出するのに強力なプロセッサを利用することは可能ではあろうが、そのような計算には、典型的場合においては、専用のハードウェア、専属の技術者による作業時間及び／若しくは試験、又はこれら二つの組み合わせを伴ってきた。

プロセス流体制御装置は、一般には、プロセス変量トランスミッタを利用している。付加的なハードウェアを追加したり、デバイスの複雑な初期的特徴付け又は調整を伴うことなく、これらプロセス変量トランスミッタにオーバーリーディングに対する補正能力が付与されれば、それは大きな利便性を示していることとなるだろう。

プロセス変量トランスミッタは動作的に多相プロセス流体流源と接続可能である。プロセス変量トランスミッタは、多相流中の温度、参照圧力、及び差圧生成器の両端の差圧に関する情報を得るように構成されている。プロセス変量トランスミッタは、参照圧力、差圧、及び温度に基づいてオーバーリーディングの計算及び／又はオーバーリーディングに対する補正をするように構成されている。

図１は配管１４の内部の差圧生成器１２と接続する多変量差圧トランスミッタ１０を図示したものである。トランスミッタ１０は、有線接続又は無線接続を含む適当な接続を用いて、動作的に制御室１６と接続されている。適当な有線接続の例には、ハイウェイ・アドレサブル・リモート・トランスデューサ（ＨＡＲＴ）プロトコル、ＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮフィールドバスプロトコル又は他のプロトコルが含まれる。有線接続に加えて、又は代替として、無線データ伝送プロトコルも利用できる。有線接続の具体例では、トランスミッタが通信している有線プロセス通信線を介して受け取るエネルギーによって、トランスミッタ１０は完全に動作させることが可能である。

多変量トランスミッタ１０は電子機器コンパートメント１８を備えており、電子機器コンパートメント１８は、その先にマニフォールド２２が接続されているセンサモジュール２０と接続している。マニフォールド２２は、センサモジュール２０を差圧生成器１２に接続させている。生成器１２の対向する面上の口は、上流プロセス流体圧力及び下流プロセス流体圧力の両方をマニフォールド２２に伝達する。マニフォールド２２は、プロセス流体をセンサモジュール２０から隔離しているのだが、上流プロセス流体圧力及び下流プロセス流体圧力の両方をセンサモジュール２０の内部に配設された差圧センサに伝達する。

トランスミッタ１０はフィールド機器と考えられ、つまり一般にはフィールドに取り付けが可能である。「フィールド」は、一般には、プロセス装置中の外部領域であり、そこは気候が厳しさ、振動、湿度の変化、電磁波周波数や無線周波数の干渉、又は他の環境的難題に晒されかねない。よって、プロセス圧力トランスミッタ１０の丈夫な物理的包装は、圧力トランスミッタ１０に、一度に長い期間（数年ほど）に渡って「フィールド」で動作する能力を授けている。

本実施形態においては、多変量トランスミッタ１０は、複数のプロセス変量を変換できる、という意味で「多変量的」であると考えられる。例えば、前述のように、トランスミッタ１０は生成器１２の両端に生成された差圧を検知する。さらに、トランスミッタ１０は、温度センサ２４に接続され、センサ２４を介してプロセス流体の温度を測定するようになっている。センサ２４は、好適には、生成器１２の内部に埋め込まれ、抵抗温度検出器（ＲＴＤ）、熱電対、サーミスタ、又は他の適当な技術を含む適当な構成のものであってよい。好適には、センサ２４は、生成器１２の内側のサーモウェルの内部に配設される。さらに、後に図２に関連してより詳細に記述するが、多変量トランスミッタ１０は、配管１４の内部のプロセス流体の参照圧力（絶対圧力又はゲージ圧）を測定することも可能である。差圧トランスミッタのオーバーリーディングの量は、動作圧力、気体速度、及び差圧要素の構造の関数である、という実験的な証拠がある。トランスミッタ１０は、多変量を変換可能であることから、記憶されているメータ環境設定ファイル、測定されたプロセス変数、又は計算を通じて得られた情報のうちこれらに関わる部分の全てを獲得することができる。修正された気体流率補正を与える方法は、のちに図４に関連してより詳細に記述する。

図２は、本発明のひとつの実施形態に従う多変量トランスミッタ１０のブロックダイアグラムである。トランスミッタ１０は、プロセス通信ループ３２に動作的に接続された電源モジュール３０を含んでいる。トランスミッタ１０は、好適には、やはりプロセス通信ループ３２に動作的に接続されたループ通信モジュール３４を含んでいる。ループ通信モジュール３４は、ハイウェイ・アドレサブル・リモート・トランスデューサ（ＨＡＲＴ）プロトコル又はＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮフィールドバスプロトコルのような、ある特定のプロセス工業規格プロトコルに従って信号を生成するように構成されている。トランスミッタ１０は、コントローラ３６を含んでおり、コントローラは好適には低電力マイクロプロセッサを含んでいる。コントローラ３６は、電力モジュール３０から電力を受け、ループ通信モジュール３４と、双方向的に通信する。

差圧生成器１２は、インパルス線４０及び４２を介して、動作的に差圧センサ３８に接続している。ある実施形態においては、差圧センサ３８は、一般に、線４０及び４２の内部の差圧に応答して動く可動膜を含んでいる。差圧センサ３８は、導電性のダイヤフラムを含み得るが、そのダイヤフラムの両側面各々の上に配されたプレートと畜電器を形成する。よって、導電性ダイヤフラムが動くと、静電容量が変化し、その変化は差圧を示すのに用いることが可能である。他の形態の差圧センサも、差圧センサ３８として利用することができる。適当な例としては、ひずみゲージ式センサ、ピエゾ抵抗式センサ又は他のセンサが含まれる。

差圧センサ３８は、電気的に測定回路４４と接続し、その測定回路は差圧センサ３８の電気特性の変化を測定するように構成されている。測定回路４４は、好適には、アナログ・デジタル変換器４５及び多重通信器４７を含んでいる。アナログ・デジタル変換器４５は、動作的に圧力センサ３８、４１及び温度センサ２４と接続し、圧力センサ３８、４１及び温度センサ２４の電気的特性に基づいて制御器３６にデジタル表示を与える。

圧力センサ４１は、動作的にインパルス線４０及び４２の一つと接続している。図２では、圧力センサ４１は、インパルス線４０と動作的に接続している。圧力センサ４１は、インパルス線４０の内部の圧力の表示を与え得るゲージセンサ、大気センサ又は絶対センサであるような参照圧力センサであり、圧力の表示とは、プロセス配管１４の内部の圧力の表現である。差圧センサ３８に加え付加的な圧力センサ４１を配設することによって、多変量トランスミッタ１０が、生成器１２の両端の差圧のみならず、プロセス配管内部の参照圧力をも測定することが可能となる。図２は差圧センサ３８及び絶対圧力センサ４１を示しているが、他の設備も差圧及び参照圧力の両方を検知することに利用することが可能である。例えば、一対の参照圧力センサの各々の参照圧力センサをそれぞれのインパルス線に接続すれば、一対の参照圧力センサを利用することもできよう。よって、各圧力センサはインパルス線内部の圧力の参照圧力値を測定し、その後、差圧が二つの測定の数値差として算出される。測定回路４４は、多重通信器４７を用いており、多重通信器は圧力センサ４１、圧力センサ３８、又は温度センサ２４の一つを選択的にアナログ・デジタル変換器４５に接続させる。アナログ・デジタル変換器４５は、その後、付随するセンサによって与えられたアナログの電気的量に関連したデジタル表示を生成する。複数のアナログ・デジタル変換器４５が用いられている実施形態においては、多重通信器４７は、潜在的には省けるであろう。

図２は温度センサ２４に接続した測定回路４４をも示している。前述のように、温度センサ２４は、適当な形態をとり得る。多変量トランスミッタ１０の、配管１４の内部の流体の温度だけでなく、配管１４の内部を流れる多相プロセス流体に関連する差圧及び参照圧力をも検知する能力により、多相流体流に関する高いレベルの計算が可能になる。

図３は、本発明のひとつの実施形態に従うプロセス測定システムのブロックダイアグラムである。システム１００は、差圧トランスミッタ１０２と温度トランスミッタ１０４を含んでいる。図３が示しているのは、本発明の種々の実施形態は、付加的なプロセス変量送信機がプロセス変量情報を、例えば差圧プロセス変量トランスミッタ１０２などのある特定のプロセスデバイスに伝達し、それによってプロセス変量通信器１０２に補正された多相流体パラメタを計算させることも可能であるような、付加的なプロセス変量送信機の能力を利用することもできることである。図３に示した実施形態では、トランスミッタ１０２は差圧生成器１２と接続し、図２及び３に関連して述べた多変量トランスミッタ１０との多くの類似性を有している。似ている構成要素は、同じ符号を付ける。さらに、図３に仮想線で示したように、システム１００はプロセス温度トランスミッタ１０４と接続している。プロセス温度トランスミッタは、技術的には公知であり、従ってトランスミッタ１０４を詳細には記述しない。本発明のある実施形態に従えば、トランスミッタ１０２は、温度トランスミッタ１０４にプロセス流体温度情報を問うか、さもなくば、温度トランスミッタ１０４からプロセス流体温度情報を得る。その後、トランスミッタ１０２は、差圧及び参照圧力を変換し、補正された多相流体流パラメタを与える。さらに、本発明の実施形態では、配管１４の内部の圧力を変換又は測定するためのさらなる別のプロセストランスミッタの利用をも含んでいる。

本発明のある実施形態に従えば、制御器３６のようなプロセス変量トランスミッタの制御器は、共通には機能ブロックとして参照されるものを用いて補正された補正された多相流体流れ値を算出するが、各機能ブロックは全体の制御ルーチンの一部（例えば、サブルーチン）であり、（リンクと呼ばれる通信を介して）他の機能ブロックと協力してプロセス制御システムの内部のプロセス制御ループを実行するように動作する。機能ブロックは、典型的には、プロセス制御システムの内部のある物理的機能を実行するために、プロセス変量トランスミッタ、センサ又は他のプロセスパラメタ測定デバイスに関連した機能などの入力機能、ＰＩＤ、ファジー論理制御を実行する制御ルーチンに関連した機能である制御機能、若しくはバルブなどのデバイスの動作を制御する出力機能のうちの一つを実行する。もちろん、混成のタイプ、及び他のタイプの機能ブロックが存在する。機能ブロックは、それら機能ブロックが標準的な４−２０ｍＡデバイス及びＨＡＲＴデバイスのようなコンピュータ内蔵型のフィールドデバイスに使用されるか、若しくはそれらと連動するといった典型的な場合のように、プロセスデバイスの制御器の中に記憶され実行されるか、又はＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮフィールドバスと連動する場合でのように、フィールドデバイスの中に記憶されフィールドデバイス自身によって実行される。

図４は本発明のある実施形態に従う多相プロセス流体流に対する気体流率パラメタを計算、補正するための方法のフローダイアグラムである。方法２００は、ブロック２０２から始まり、ブロック２０２では、差圧（ｄｐ）、参照圧力（Ｐ）、及び気体速度（Ｖ_ｇ）が取得される。前述のように、これらのパラメタは、図１及び２に関連して上で述べたように、多変量プロセスデバイスに接続されている適当なセンサによって変換される。つまり、これらのパラメタは、プロセス通信を介して一つ若しくはそれより多い数の他のフィールドデバイス、又は二つの組み合わせから取得されたりする。その後、制御はブロック２０４に進み、ブロック２０４ではオーバーリーディング（ＯＲ）が算出される。この計算は、圧力（Ｐ）および気体速度（Ｖ_ｇ）について測定された、さもなくば得られた値を基づく。ブロック２０４は、ブロック２０２は、得られた圧力値及び気体速度値に基づいて、オーバーリーディングを算出する。オーバーリーディングの量は、動作圧力、気体速度、及び差圧主要素１２の構造の下記（数１）で表現される関数である、という実験的な証拠がある。差圧主要素１２の構造は、フィールドデバイスを一旦、インストール及び／又は作動操作を行えば分かることである。従って、この情報は、動作に関して先験的なものであると考えられる。しかしながら、トランスミッタ１０、１０２の各々は、差圧主要素（生成器）１２に関する情報を、メモリに保持している。この情報は、数式の定数の組の形式、検索テーブル又は他の適当な形式であってよい。オーバーリーディングとロックハート・マルチネリパラメタ（Ｘ_ＬＭ）の間の特別な関係は、線形オーバーリーディングモデルである。線形オーバーリーディングモデルでは、オーバーリーディング対Ｘ_ＬＭのプロットの傾きが、切片及び圧力値（Ｐ）が乗ぜられた第一係数と、気体の速度が乗ぜられた第二係数と、差圧生成器の構造を示す値が乗ぜられた第三係数と、の和に等しい。より具体的には、この関係は、次のような構成を取る。

ブロック２０４において実行されるオーバーリーディングの初期計算に対しては、ロックハート・マルチネリパラメタは適当な初期設定値を用いて推定されたり、又は多相流体流トランスミッタの作動操作中に入力された初期値を引き出されたり、といったことが可能である。一旦、ブロック２０４でオーバーリーディングの初期計算が実行されると、ブロック２０４で算出されたオーバーリーディング値に基づいて、差圧値及び気体速度値の両方が算出される。差圧と気体速度の計算は、ブロック２０６において実行される。ブロック２０６には、修正された差圧が、前回の繰り返しにおいて得られた修正された差圧と十分に近いかどうかを決定するテストも含まれている。本質的には、これは収束テストである。第一回目のパススルーにおいては、収束されていることはなく、ブロック２０６は単に、コントロールをブロック２０８及び２１０に飛ばし、ブロック２０６で算出されたパラメタを基に、それぞれロックハート・マルチネリパラメタ及びオーバーリーディング曲線を算出する。

ブロック２０８では、

で定義されるロックハート・マルチネリパラメタ（Ｘ_LM）が、既知の液体の密度、多相流体流中に存在する液体の比率、及び気体の密度から算出される。ここで、Ｑ_lは液体の質量流比、Ｑ_gは気体の質量流比、ρ_lは液体の流れ密度、ρ_gは気体の流れ密度、である。液体の密度は、好適には、作動操作中又は多相流体流メータの整備中に、配管１４中に存在するだろう予想されるプロセス液体に基づいて、先験的情報として入力される。気体密度は、配管１４中の気体相の既知の性質、並びに測定されたプロセス温度及び圧力を基に算出される。液体相質量流比と気体相質量流比の比は一定であると仮定され、テストセパレータを用いるか又は他の手段のいずれかによって、独立に測定される。

ブロック２１０では、ブロック２０２で測定された圧力、ブロック２０６で算出された気体速度及び既知のメータ機器情報に基づいて、オーバーリーディング曲線が算出されるか又は決定される。算出されたロックハート・マルチネリパラメタ及び算出されたオーバーリーディング曲線は、ブロック２０４にフィードバックされ、ブロック２０８及び２１０からの新たに算出された情報を用いて方法が繰り返される。この処理は、差圧が適当な度合いまで収束するまで続き、収束したときには、時間制御はブロック２０６からブロック２１２に飛ぶ。ブロック２１２では、多相流体流に対する補正された気体流率を算出するのに差圧が用いられる。このパラメタは、好適には、制御器又は他の適当なプロセスデバイスに、ループ３２のような、プロセス通信ループを介して伝達される。

本発明の実施形態は、多相プロセス流体工業に大きな利益をもたらす。既に数多くのプロセス機器の中で用いられているプロセス変量トランスミッタは、もはや流れの条件が変化したとしても、変量多相プロセス流体情報を、与えることができる。

好ましい実施形態を参照しつつ本発明について述べてきたが、当業者は本発明の意図及び目的を逸脱しない形態及び詳細の範囲で、変形が可能であることは理解できるであろう。

本発明のある実施形態に従う多変量多相流体流トランスミッタを図示したものである。 本発明のある実施形態に従う多変量多相流体流トランスミッタのブロックダイアグラムである。 本発明のある実施形態に従う、多相プロセス流体流情報を与えるプロセス測定システムを図示したものである。 本発明のある実施形態に従う、多相プロセス流体流に対する気体流率を算出するための方法のプローダイアグラムである。

符号の説明

差圧生成器
１４ 配管
１６ 制御室
１８ 電子機器コンパートメント
２０ センサモジュール
２２ マニフォールド
２４ 温度センサ
３０ パワーモジュール
３４ ループ通信
３６ 制御器
３８ 圧力センサ
４１ 圧力センサ
４４ 測定回路
４５ アナログ・デジタル変換器
多重通信器
４８， １０４ 温度トランスミッタ
１０２ トランスミッタ

Claims (16)

1. 多相プロセス流体流量計において、
   前記流量計にプロセス通信ループを介して電力を供給するように構成された電力回路と、
   前記プロセス通信ループに接続し多相プロセス流体の流れに関連した流れ値を示すプロセス通信出力を与えるように構成されたループ通信回路と、
   前記電力回路及び前記ループ通信回路に接続された制御器と、
   前記制御器に対し動作可能に接続された測定回路であって、第一のプロセス変量センサに接続されているものと、を含み、
   前記制御器は、前記測定回路から前記第一のプロセス変量を示す情報を取得し、且つ多相プロセス流体流に関連する複数の付加的なプロセス変量を取得するように構成されており、
   前記制御器は、メモリが記憶するプログラム命令を内部に含み、そのプログラム命令に従って、前記前記第一のプロセス変量のオーバーリーディング値とは線形関係にあるマルチネリパラメータを、取得した前記第一のプロセス変量から求め、取得した前記付加的なプロセス変量を用いて前記線形関係を修正する繰り返しの補正計算により補正された多相流れ値を与えるように構成されている、ことを特徴とする多相プロセス流体流量計。
2. 前記第一のプロセス変量センサは、前記差圧生成器を流れる多相プロセス流体の差圧を検出するように接続された差圧センサであることを特徴とする請求項１に記載の流量計。
3. 前記付加的なプロセス変量の少なくとも一つは前記多相プロセス流体の参照圧力を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の流量計。
4. 前記付加的なプロセス変量の少なくとも一つは前記多相プロセス流体の温度を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の流量計。
5. 前記測定回路は第二のプロセス変量センサに動作可能に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の流量計。
6. 前記第二のプロセス変量センサは圧力センサであることを特徴とする請求項５に記載の流量計。
7. 前記第二のプロセス変量センサは温度センサであることを特徴とする請求項５に記載の流量計。
8. 前記付加的なプロセス変量の少なくとも一つは前記プロセス通信ループを介して前記流量計と通信することを特徴とする請求項１に記載の流量計。
9. 前記命令は機能ブロックを形成することを特徴とする請求項１に記載の流量計。
10. 多相プロセス流体流量計において補正された流れパラメタを付与する方法において、
    多相プロセス流体を送る管の中に配設された差圧生成器の両端の差圧値を取得するステップと、
    前記多相プロセス流体に関連した参照圧力値を取得するステップと、
    前記多相プロセス流体に関連した温度値を取得するステップと、
    前記多相プロセス流体の気体速度値を算出するステップと、
    前記多相プロセス流体に関連した圧力、気体速度及び前記差圧値のオーバーリーディング値とは線形関係にあるマルチネリパラメータをそれぞれパラメータ変数とし、これらのパラメータ変数の値に依存する前記オーバーリーディング値について、取得した前記参照圧力値及び算出した前記気体速度値に基づいて、初期のオーバーリーディング値を求めるステップと、
    前記初期のオーバーリーディング値に基づいて前記差圧値を補正するステップと、
    前記マルチネリパラメータを、既知の液体密度、前記流体中の液体の割合、補正された気体速度値及び気体密度に基づいて計算するステップと、
    補正されたパラメータ変数を用いて前記線形関係を修正し、前記オーバーリーディング値を再計算するステップと、
    再計算した前記オーバーリーディング値に基づいて前記差圧値を再補正するステップと、
    前記差圧値が収束しているかどうかを決定し、収束していなければ前記差圧値を再補正するステップを繰り返すステップと、
    前記差圧値が収束すれば、収束した差圧値に基づいて多相流体流れ値を与えるステップと、を有することを特徴とする補正された流れパラメタ付与方法。
11. 前記差圧値を取得するステップは、前記多相プロセス流体中に配設された差圧生成器に接続された差圧センサを利用するステップを含んでいることを特徴とする請求項１０に記載の補正された流れパラメタ付与方法。
12. 前記参照圧力値を取得するステップは、前記多相プロセス流体の圧力を検出するように接続された圧力センサを利用するステップを含んでいることを特徴とする請求項１０に記載の補正された流れパラメタ付与方法。
13. 前記温度値を取得するステップは、前記多相プロセス流体の温度を検出するように接続された温度センサを利用するステップを含んでいることを特徴とする請求項１０に記載の補正された流れパラメタ付与方法。
14. 前記差圧値、前記参照圧力値及び前記温度値の少なくともひとつはプロセス通信ループを介して前記流量計に伝達されることを特徴とする請求項１０に記載の補正された流れパラメタ付与方法。
15. 前記方法は機能ブロックの内部で実行されることを特徴とする請求項１０に記載の補正された流れパラメタ付与方法。
16. 請求項１０に記載の補正された流れパラメタ付与方法において、さらに
    プロセス通信ループによって前記多相プロセス流体流量計に動力を供給するステップと、を有することを特徴とする補正された流れパラメタ付与方法。

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