JP5097855B2 - 速度増進フロー測定 - Google Patents

Description

背景
パイプまたは導管を通じた流体の流れは、しばしば、流れを制御しおよび／または導管を通過する流体の量を監視するために測定される。導管を通じた流体の流れを測定するために様々な方法が存在する。これらの方法は、流体フロー障害物の両端間の差圧の測定、磁気流量計（マグメータ）の利用、および、渦流量計の利用を含む。これらの様々なデバイスおよび技術は、一般に、流体フローの態様を検出するために異なる技術を使用する。ある場合には、流体速度が測定され、また、時として、質量流量も計算される。

差圧測定技術を使用して流体の流れを測定することは、一般に、流体フローを部分的に妨げるためにオリフィスプレートなどの障害デバイスを利用することを含む。この部分的な妨げは、上流側の流れと下流側の流れとの間に差圧を生み出す。障害物の上流側の位置と下流側の位置との間の差圧を測定することにより、流れを表示することができる。一般に、差圧測定が質量流量情報を提供するためには更なる情報が必要とされる。具体的には、流体の組成、圧力、および、温度に関する情報が知られあるいは測定されなければならない。このことは、差圧が流れに基づくだけでなく流体密度にも基づいており、流体密度自体が圧力と温度との関数となる場合があるという事実に少なくとも部分的に起因する。また、流れ、層流、移行、または、乱流の性質は、差圧の読み取り値に影響を与える場合がある。

渦流量計は、フォンカルマン効果として知られる渦発散（vortex shedding）の現象に基づく動作原理を使用する。流体が鈍頭物体を通過するにつれて、流体は、鈍頭物体のそれぞれの側に沿ってこれらの側の背後で交互に発生する小さな渦巻きあるいは渦を分離してできる。これらの渦は、センサによって検出される圧力変動領域を引き起こす。渦発生の頻度は流体速度にほぼ比例する。

磁気流量計（マグメータ）は、これを通過する流体の速度を測定するパイプ部分または導管部分を含む。流量計は、起電力（ｅｍｆ）または電圧を流体に誘導する磁場を流体に形成する。流体に誘導されるｅｍｆの大きさは、パイプを通じて流れる流体の速度に比例する。誘導ｅｍｆを測定することにより、磁気流量計は、パイプを通じた流体フローの速度を測定する。流量計は、導電性流体が流通するパイプを取り囲むコイルに電流を通過させることにより磁場を形成する。磁場の大きさは、アンペアの法則によってもとめられ、パイプを通じた流体の流れに対して垂直である。フローパイプの両側に一般に埋め込まれる２つの電極が流体中の電位を測定する。

多くのプロセス設備では、プロセス流体がプロセスパイプなどの導管を通じて流れる。プロセス流体は、液体、気体、または、これら両方の組み合わせであることができる。プロセス流体がその組成が時間と共に変化しない単一の均一相（液体、蒸気、または、気体）である用途では、質量流量などのフローパラメータの計算が比較的簡単である。しかしながら、プロセス流体が均一でない用途（例えば、不混和液）またはその組成が時間と共に変化する用途では、フローパラメータの計算が更に難しい。一般に液体が気体と混ぜ合わせられるプロセス流体（例えば、多相）の例としては、湿り蒸気、油と天然ガスとの混合物、および、水、油、天然ガスの混合物が挙げられる。

概要
プロセス流体フロー測定デバイスは、第１の直径を伴う入口と、第１の直径よりも小さい第２の直径を伴うスロートとを有する流体フロー部材を含む。第１のプロセス流体圧力タップが入口の近傍に配置され、第２のプロセス流体圧力タップがスロートの近傍に配置される。差圧センサが第１および第２のプロセス流体圧力タップに動作可能に結合される。第１および第２のタップでのプロセス流体圧力間の圧力差に関する差圧信号を提供するために差圧測定回路が差圧センサに結合される。スロートを通じて流れるプロセス流体の速度を測定するとともに流体速度を表示するために、プロセス流体速度測定デバイスがスロート内に位置付けされる。計算された流体フローパラメータおよび／または流体密度の表示を提供するために、差圧センサ信号および流体速度表示が使用される。

レイノルズ数が計算される、あるいはさもなければ知られている場合の渦流量計における通常の有効範囲および拡張範囲を示すチャートである。 本発明の一実施形態に係る低損失または非円錐ベンチュリに取り付けられる渦発生バーの概略断面図である。 本発明の他の実施形態に係るノズルに取り付けられる渦発生バーの概略断面図である。 本発明の好ましい実施形態に係る改良された流体フロー測定システムの概略図である。 差圧信号および渦信号が本発明の一実施形態に係るフローコンピュータへ供給されている概略図である。 本発明の一実施形態に係る低損失または非円錐ベンチュリに取り付けられる磁気流量計の概略断面図である。 本発明の他の実施形態に係るノズルに取り付けられる磁気流量計の概略断面図である。 本発明の好ましい実施形態に係る改良された流体フロー測定システムの概略図である。 差圧信号および磁気流量計信号が本発明の一実施形態に係るフローコンピュータへ供給されている概略図である。 本発明の一実施形態にしたがって、差分生成器と共に速度流量計を較正する方法のフローチャートである。

本発明の実施形態は、一般に、導管内の流体の流れを測定する際に直面する特定の問題を認識および解決することを含む。例えば、流体の密度が変化するにつれて、正確な質量流量測定を提供するために、渦流量計測定は補償されなければならない。例えば渦発生測定を介して流体の速度が測定される場合には、密度に関する以下のベルヌーイの方程式：

を解くことにより流体密度を計算することができる。また、正確なフロー測定が準線形範囲外で望まれる場合には、渦流量計のレイノルズ数／ストローハル数関係の変化の補償が必要とされる。また、渦流量計の「準線形」関係範囲外で流れを正確に測定することが難しい場合がある。しかしながら、密度および速度を測定できおよび／または計算できる場合には、仮定された、計算された、または、測定された速度値に基づいてレイノルズ数を計算することができる。その場合には、レイノルズ数／ストローハル曲線の正確な位置を知ることができ、これにより、渦流量計の有効範囲が広がるとともに、有効性の通常の範囲内で精度が高まる。

図１は、レイノルズ数が計算される、あるいはさもなければ知られている場合の渦流量計における通常の有効範囲および拡張範囲を示すチャートである。破線間の準線形範囲は一般に±０．５％〜±２％である。

流体フローを測定する際の他の困難は、複数の相の存在である。具体的には、２相あるいは更には３相流体が導管内に存在し得る。例としては、良質蒸気；油および水；油およびガス；液中の粒子（スラリー）；または、油、水、および、ガスが挙げられる。導管内の流体の速度および密度の両方を測定できる場合には、多相流体の質量流量を計算できる。これについては例えば米国特許第４，３１２，２３４号を参照されたい。

本発明の一実施形態によれば、渦検出装置がベンチュリ（図３に示される）内あるいは導管を流れる流体内にある低損失（非円錐）ベンチュリまたはノズル（それぞれ図２Ａまたは２Ｂに示される）内に配置される。本明細書で使用される「ベンチュリ」は、収縮スロート部を含む配列を成す機械的なものであり、収縮スロート部では、流体の速度が増大する一方で、スロートにわたって圧力が減少する。ベンチュリは、２１度円錐入口と、円筒状スロートと、７〜１５度円錐出口とを有する従来の形態であることができる。しかしながら、ベンチュリは、単に、円筒体またはスロートにおける２つの縮小フランジであることができる。流量係数の差を較正によって特徴付けることができる。あるいは、幾つかの実施形態では、ベンチュリの出口コーンを省くことができ、または、該コーンの先端を断ち切ることができ、それにより、本質的に、ノズルのスロートに渦センサが取り付けられたノズルを形成する。

図３は、本発明の一実施形態に係る改良された流体フロー測定システムの概略図である。図３に示されるように、システム５０は、流体を参照符号５２で示される方向に導くように配置されるベンチュリ（断面で示される）を含む。ベンチュリ５４は入口５６を含み、入口５６は、好ましくは円筒状であり、かつベンチュリ５４が結合されるパイプ（図３に示されない）などの流導管の直径と実質的に同じ直径を有する。また、ベンチュリ５４は、入口５６の外径と実質的に適合する外径から始まってスロート６２の直径に実質的に等しい最終直径６０で終わる次第に減少する直径を有するネックダウン部５８も含む。ネックダウン部５８の入口角度θは、０〜９０度の範囲の任意の適した角度であることができる。スロート６２は、入口５６の直径よりもかなり小さい直径を有する。直径の変化は、そこを流通する流体の速度を増大させる一方で圧力を減少させる。また、ベンチュリ５６は、出口６６で直径を流導管の直径に戻す出口コーン６４も含む。出口角度φは、０〜９０度の範囲の任意の適した角度であってもよい。

システム５０は、ベンチュリ５４内の異なる位置に複数の圧力タップを含む。具体的には、上流側（高）圧力タップ７０が入口５６に隣接することが好ましい。図３では圧力タップ７０が入口５６に配置されるように示されているが、圧力タップ７０は円筒状のネックダウン部５８内の適した位置に配置されることができる。また、圧力タップ７０を上流導管の隣接部に位置させることもできる。スロート（低）圧力タップ７２は、好ましくは渦発生バー７４よりも下流側のスロート６２内に設けられる。しかしながら、圧力タップ７２を発生バー７４よりも上流側に位置させることができる。例えば米国特許第４，３１２，２３４号に記載されるように、摩擦降下（制限に起因する全体の圧力損失）を潜在的に測定するために、場合により下流側出口圧力タップ７６を設けることもできる。図３に示されるように、上流側圧力タップ７０およびスロート圧力タップ７２は、少なくとも、差圧センサ７８に動作可能に結合される。差圧センサ７８は、タップ７０，７２の圧力間の差に関して電気的に表示するように既知の技術にしたがって構成される。差圧センサ７８は、該センサ７８の電気的特性（キャパシタンスなど）を測定するとともに差圧に関連する表示を例えばプロセス通信ループにわたって伝えるために、センサ７８に結合される差圧検出エレクトロニクスを伴うこともできる。したがって、差圧センサ７８は全差圧送信器を含むこともできる。また、下流側タップ７６が用いられる実施形態では、そのタップを更なる圧力センサに結合して、タップ７０，７２のうちの一方に対するその絶対圧またはその差圧を測定することができる。

システム５０は、スロート部６２内に配置される渦発生バー７４を含む。渦発生バー７４は、スロート部６２の直径の全体に延びることが好ましい。しかしながら、発生バーが直径の全体に延びない実施形態を実施することができる。発生バー７４の近傍の流体の温度を測定するために、発生バー７４に配置される温度プローブ８０が含まれるのが好ましい。温度プローブ８０は、抵抗温度デバイス（ＲＴＤ）、熱電対、サーミスタ、または、任意の他の適したデバイスを含むがこれらに限定されない任意の適した温度検出技術にしたがった内部に配置される温度センサを含むことができる。渦発生バー７４が渦を発生させ、それらの渦の発生が発生バー７４に振動をもたらす。発生バー７４は、それらの振動を検出するように構成されるセンサを含むことが好ましい。適したセンサとしては、ライン８６を介して渦エレクトロニクス８４に動作可能に結合される圧電センサ８２が挙げられる。渦センサ８２が発生バー７４の一部として示されているが、センサ自体が他の位置に配置されるが依然として渦を検出できる本発明の実施形態を実施することができる。そのような形態の例としては、渦センサが発生バー７４の直ぐ下流側に配置されることが挙げられる。図３に関して示される実施形態は、渦発生周波数が別個の渦センサ８２を用いて測定されることを示しているが、渦発生バーよりも下流側に配置される適切に感度が良い圧力センサが、圧力変動を検出できてもよいので、そのようにして渦を検知できてもよい。したがって、そのような実施形態では、実際の渦センサは、単に、渦発生バーの下流側に配置される圧力センサであることができる。しかしながら、差圧センサ７８を使用して、差圧信号に重ね合わされる高周波として渦発生周波数を測定することもできる。

渦エレクトロニクス８４は、発生する渦からの圧力変動によってもたらされる振動の周波数を測定するように構成される。前述したように、そのような渦の周波数が流れに関連付けられることは知られている。したがって、渦エレクトロニクス８４は、スロート部６２を通過する流体の速度の直接的な測定を行なうことができる。渦エレクトロニクス８４は、測定された周波数をプロセス通信ループにわたって伝えることができるように渦流量計エレクトロニクスを含むこともできる。したがって、渦エレクトロニクス８４を渦流量計内で具現化することができる。しかしながら、より記述的なおよび／または正確な流体フロー情報を提供するような方法で測定を組み合わせることができる単一のデバイス内に渦エレクトロニクス８４および差圧センサエレクトロニクス７８が配置される本発明の実施形態を実施することができる。また、温度プローブ８０を渦エレクトロニクス８４および差圧センサエレクトロニクス７８の一方または両方に結合することができる。したがって、差圧測定および渦発生測定を単一のデバイスまたはスプールピースで供給できる。また、これらの流れ測定は、計算を簡単にするおよび／または更には２相流体フロー；３相流体フロー；速度が渦センサから測定されかつ密度がベンチュリ差圧測定から測定される場合には質量流量に関連する計算を可能にするおよび／または渦発生測定がレイノルズ数に基づいてストローハル数曲率に関して補正される場合には更に高い精度を単に提供するような態様で組み合わせることができる。更に、流体フローの計算された表示は、様々な密度の流体の全流量、多相流の全流量、多相流の成分の流れ、および、多相流における１つの成分の他の成分に対する流れの比率を含むことができるが、これらに限定されない。

本発明の好ましい実施形態は、単一のスプールピース内に複数の検出形態を有する単一デバイスを含むが、本発明の実施形態は、スプールピースに動作可能に結合される２つの別個のフィールドデバイス（例えば、差圧送信器および流体速度測定フィールドデバイス）を含むことができ、その場合、各フィールドデバイスは、その測定を、プロセス通信ループを介して、前述した高レベル流体パラメータの計算に適したデバイスへと伝える。図４に示されるように、差圧センサ信号９０および渦センサ信号９２を参照符号９４により示されるようにプロセス通信ループを介してフローコンピュータ９６に伝えることができる。フローコンピュータ９６は、差圧信号と渦センサ信号とを組み合わせて流体フローを有用に表示することができるフィールドデバイスを含む任意の適したデバイスであることができる。参照符号９４はプロセス通信ループを示すが、任意の適したプロセス通信ループを使用できる。プロセス通信ループの例としては、Ｈｉｇｈｗａｙ Ａｄｄｒｅｓｓａｂｌｅ Ｒｅｍｏｔｅ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ（ＨＡＲＴ（登録商標））プロトコルおよびＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ（商標）フィールドバスプロトコルが挙げられる。また、無線通信プロトコルを使用することができる。更にまた、そのような各フィールドデバイス（差圧送信器、渦流量計、および／または、フローコンピュータ）は、防爆および／または本質安全となるように構成することができる。本明細書で使用される本質安全とは、１９９８年１０月にFactory Mutual Researchによって公布されたAPPROVAL STANDARD INTRINSICALLY SAFE APPARATUS AND ASSOCIATED APPARATUS FOR USE IN CLASS I,II and III, DIVISION NUMBER 1 HAZARDOUS (CLASSIFIED) LOCATION, CLASS NUMBER 3610に示される安全仕様などの１つ以上の本質的な安全仕様にフィールドデバイスが適合することを意味する。

これまで説明した本発明の実施形態は一般にベンチュリまたはノズルのスロート内に配置される渦発生バーに結合される渦センサに焦点を合わせてきたが、更なる速度検出形態を使用することもできる。したがって、本発明の他の実施形態によれば、磁気流量計検出技術がベンチュリまたはノズルのスロート内に組み込まれる。そのような装置は、多相プロセス流体フローに関連する計算を容易にすることもでき、あるいは、様々な密度を有するプロセス流体の質量流量を表示することもできる。

磁気流量計が図５Ａおよび図５Ｂに参照符号１００で概略的に示されている。図５Ａは、ベンチュリ１０２の収縮直径スロート部内に配置される磁気流量計を示しており、一方、図５Ｂは、ノズル１０４の収縮直径スロート部内に配置される磁気流量計１００を示している。渦測定実施形態と同様に、図６は、ベンチュリを形成する円錐リデューサを有する磁気流量計を示している。図５Ａおよび図５Ｂは、低損失（非円錐）ベンチュリおよびノズルのそれぞれで示されている。

図６は、本発明の一実施形態に係る改良された流体フロー測定システムの概略図である。図６は図３との幾つかの類似点を有しており、同様の構成要素に同様の参照符号が付されている。図６に示されるように、流導管の両側には非導電ライナ１１５で内側が覆われた磁気流量計本体１１４内に磁気流量計コイル１１０，１１２が配置されている。コイル１１０，１１２は磁気流量計エレクトロニクス１１６に動作可能に結合されており、磁気流量計エレクトロニクス１１６は、コイルを駆動させてプロセス流体中に磁場を発生させるとともに、電極１１７などの流体と接触するように配置される電極を用いて、本体１１４を通じて流れるプロセス流体に誘導される起電力（ｅｍｆ）を検出する。また、磁気流量計エレクトロニクス１１６は、フローパラメータをプロセス通信ループにわたって通信するのに適した通信回路を含むことができる。そのような実施形態では、流量計エレクトロニクスが磁気流量計の必要とされる全てのエレクトロニクスを含むと考えられ得る。図３に関連して前述したように、磁気流量計エレクトロニクス１１６および差圧センサエレクトロニクス７８の両方を単一のデバイス、好ましくは単一のフィールドデバイス内で具現化することができる。

あるいは、図７に示されるように、差圧センサ信号９０および磁気流量計信号９２を、プロセス通信ループ９４を介してフローコンピュータ９６または他の適したデバイスへ伝えることができる。前述したように、プロセス通信ループ９４は、有線プロセス通信ループまたは無線プロセス通信ループであることができる。また、フローコンピュータ９６は、磁気流量計エレクトロニクス１１６および差圧センサエレクトロニクス７８（図６に示される）から離れた、または近傍に位置付けされた、任意の適したデバイスであることができる。

磁気流量計信号および差圧センサ信号を使用することにより、複合デバイスは、プロセス流体密度がかなり変化する間であっても、２相流体フロー、３相流体フローの一部、および、質量流量に関連する流体フローを有用に表示することができる。また、全質量流量、多相フロー成分の質量または体積、密度、または、他の適したパラメータに関連して表示することができる。

図３および図６に示される実施形態は本発明のベンチュリの実施形態を示す。従来のベンチュリは、一般に、２１度の円錐入口と、７〜１５度の円錐出口とを含む。図６に示される実施形態の場合、ベンチュリは、単に、ウエハ型の磁気流量計にボルト締結される２つの円錐減少フランジから構成されることができる。

また、多くの速度流量計（例えば、渦流量計の電磁流量計）の精度は、例えば好ましい実施形態に記載されるような非円筒導管に隣接して取り付けられることにより悪影響が与えられる。したがって、速度流量計および差分生成器を１つのユニットとして一緒に較正し、それにより、隣接する非円筒導管の効果を特徴付けるとともに、前記流量計の精度を高めることが有益である。

主要な要素（差分生成器）の流量係数は、スロート内の速度流量計の存在によって影響されることができるので、主要な要素の流量係数を速度流量計と同じ較正で決定することができる。

図８は、本発明の一実施形態にしたがって、差分生成器と共に速度流量計を較正する方法のフローチャートである。方法１５０は、差圧生成器が速度流量計に組み付けられるブロック１５２を含む。ブロック１５４では、組立体が較正ラボのパイプラインに組み込まれる。ブロック１５６では、パイプラインを通じた流量が第１の流量に調整される。ブロック１５８では、差圧生成器からの差圧が測定されて記録される。また、ブロック１５８では、速度流量計からの出力信号も測定されて記録される。決定ポイント１６０で、この方法は、最後の流量が較正されたかどうかを決定する。較正された場合には、方法が終了する。較正されていない場合には、制御がブロック１６２へ移行し、該ブロック１６２では、流量が調整された後、制御がブロック１５８へ戻る。

好ましい実施形態に関連して本発明を説明してきたが、当業者であれば分かるように、本発明の精神および範囲から逸脱することなく形態および細部に変更が成されることができる。例えば、磁気流量計を取り付けるのに十分な「スロート」長さを有すると考えられる異なるタイプの差圧収容要素に基づいて、多くの想定し得る形状が存在する。米国特許第４，３１２，２３４号に記載される「摩擦圧力損失」を測定するという更なる目的のため、通常の２つのタップの代わりに、図６に示されるように、３つのタップをベンチュリに取り付けることができる。

Claims (18)

1. プロセス流体フロー測定デバイスであって、
   第１の直径を伴う入口と、第１の直径よりも小さい第２の直径を伴うスロートとを有する流体フロー部材と、
   入口の近傍に配置される第１のプロセス流体圧力タップと、
   スロートの近傍に配置される第２のプロセス流体圧力タップと、
   第１および第２のプロセス流体圧力タップに動作可能に結合される一つの差圧センサと、
   第１および第２のタップでのプロセス流体圧力間の圧力差に関する差圧センサ信号を提供するために、差圧センサに結合される差圧測定回路と、
   スロートを通じて流れるプロセス流体の速度を測定するために、および流体速度の表示を提供するために、スロート内に位置付けされる渦流量計であって、渦流量計が、発生バーの一部である圧電渦センサを有する、渦流量計と、
   を含み、
   計算された流体フローの表示を提供するために、差圧センサ信号および流体速度表示が使用される、プロセス流体フロー測定デバイス。
2. 差圧測定回路および渦流量計のうちの少なくとも一方に動作可能に結合される温度プローブを更に含み、温度プローブがプロセス流体温度を測定するように構成される、請求項１に記載のデバイス。
3. プローブが、スロート内のプロセス流体温度を測定するように配置される、請求項２に記載のデバイス。
4. 流体フロー部材がベンチュリである、請求項１に記載のデバイス。
5. ベンチュリが、入口とスロートとの間に、これらの間で直径が一定に減少するネックダウン部を有する、請求項４に記載のデバイス。
6. ベンチュリが、２つの円錐パイプリデューサから構成される、請求項４に記載のデバイス。
7. 流体フロー部材が、ノズルである、請求項１に記載のデバイス。
8. 渦センサが、スロートの近傍に配置される発生バーを含む、請求項１に記載のデバイス。
9. 発生バーに配置される温度プローブを更に含む、請求項８に記載のデバイス。
10. 渦流量計が、流体フロー部材と共に組み立てられる間に較正される、請求項１に記載のデバイス。
11. 流体フロー部材が、渦流量計と共に組み立てられる間に較正される、請求項１に記載のデバイス。
12. プロセス流体フローを測定するためのシステムであって、
    第１の直径を伴う入口と、第１の直径よりも小さい第２の直径を伴うスロートとを有するプロセス流体フロー部材と、
    入口の近傍に配置される第１のプロセス流体圧力タップと、
    スロートの近傍に配置される第２のプロセス流体圧力タップと、
    差圧の表示を提供するために第１および第２のプロセス流体圧力タップに動作可能に結合される差圧送信器と、
    スロートを通じて流れるプロセス流体の速度を測定するために、および流体速度の表示を提供するために配置される渦流量計であって、渦流量計がスロート内に位置付けされ、渦流量計が圧電渦センサを有し、圧電渦センサが渦発生バーの一部である、渦流量計と、
    差圧の表示および流体速度の表示を受けるように、および表示に基づいてプロセス流体フローパラメータを計算するように構成されるフローコンピュータと、
    を含むシステム。
13. プロセス流体フローパラメータが、多相プロセス流体フローの成分に関する、請求項１２に記載のシステム。
14. プロセス流体フローパラメータが、質量流量である、請求項１２に記載のシステム。
15. プロセス流体フローパラメータが、流体フロー速度である、請求項１２に記載のシステム。
16. 差圧送信器および渦流量計が、プロセス通信ループを介して互いに通信可能に結合される、請求項１２に記載のシステム。
17. プロセス通信ループが、有線プロセス通信ループである、請求項１６に記載のシステム。
18. プロセス通信ループが、無線プロセス通信ループである、請求項１６に記載のシステム。

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