JP5236741B2 - プロセス容器ケージを使用する液位測定 - Google Patents

Description

プロセス流体液位及び界面測定は流体処理設備において極めて重要である。そのような測定は、収容体又は容器内に残存する流体の量に関する情報を与える。また、界面測定は、２つ以上の異なる流体の界面の高さに関する重要な情報を与える。液位及び界面測定は、残存するプロセス流体の量に関する情報が重要な任意の処理設備にとって極めて重要であるため、そのような用途は広く普及している。

ケージガイド型或いはブライドル取り付け型液位システムは、一般に、化学反応器又は精製反応器などの大型プロセス容器で液位及び界面測定のために使用される。ブライドル又はケージは、大型容器から取り外されて導管を介して大型容器に結合される単なる小さい容器又は導管である。ケージ又はブライドル内の流体液位、及び／又は、界面高さは、大型容器内のそのような状態を直接に表わす。しかしながら、しばしば、ケージ又はブライドル内の流体の特性を測定することが更に容易である。また、メンテナンス作業を行なう必要があるときにケージ又はブライドルを大型容器から流体的に分離できるようにするためにバルブを設けることが知られている。

典型的な機器用途では、ディスプレーサ又は「フロート」がブライドルの内側に取り付けられる。フロートの浮力は、圧力壁を介してトルクチューブにより伝えられ、したがって、トルクチューブ力を出力用の空気圧、アナログ又はデジタル信号へと変換する液位トランスミッタへ伝えられる。この手法を利用する市販のデジタル液位トランスミッタの１つの例は、アイオワ州のマーシャルタウンのＦｉｓｈｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌから入手できるＴｙｐｅ ＤＬ３ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｌｅｖｅｌ Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒという商品名で販売されている。

他のタイプのケージガイド型或いはブライドル取り付け型液位システムは、導波レーダー又はキャパシタンスベースの測定装置を利用する。一般に、レーダー波は、ケージ内のプロセス液体を通じて導波管により下方へ案内される。プロセス流体の上側液位又は２つの流体間の界面などの界面にマイクロ波エネルギが達すると、導波管に沿って元のトランスミッタへと伝播する反射が引き起こされる。エコーに関する情報を使用してケージ内の流体の液位を計算することができる。レーダーベースの液位測定技術が直面する１つの困難は、容器の圧力を封じ込めつつレーダー信号を依然として効果的に通過させることができる適切なシールを形成することが時として困難及び／又は高価であるということである。例えば、そのような容器が１平方インチ当たり数百ポンドの圧力で動作していることも珍しくない。

プロセス流体液位測定システムは、容器内の少なくとも１つのプロセス流体の液位を測定するように構成される。容器がケージを有し、その場合、少なくとも１つの環状アイソレータがケージの内側に配置される。少なくとも１つの環状アイソレータはバンド形状アイソレータダイアフラムを有する。差圧トランスミッタが、環状アイソレータに動作可能に結合されるとともに、環状アイソレータに関連して測定される圧力に少なくとも部分的に基づいて液位出力を発生させるように構成される。

本発明の一実施形態に係るプロセス流体液位／界面測定システムの概略図である。 本発明の実施形態を用いるのに有用な差圧トランスミッタの圧力センサモジュールの断面図である。 本発明の一実施形態に係るケージ内に配置される環状タイアフラムを有するデュアル遠隔シールオイル充填システムの断面図である。 本発明の一実施形態に係る環状アイソレーションダイアフラムの斜視図である。

図１は、本発明の一実施形態に係るプロセス流体液位／界面測定システムの概略図である。プロセス流体容器１０はプロセス流体１２を含む。図１はプロセス流体１２を単一の均質物質として示しているが、実際には、別個のプロセス流体から成る複数の層を含んでもよい。ケージ１４が上側及び下側カップリング１６、１８をそれぞれ介してプロセス流体容器１０に結合される。図１に示されるように、各カップリング１６、１８は、ケージ１４を容器１０から選択可能に分離できるようにバルブ２０にも結合されるのが好ましい。本発明の一実施形態によれば、差圧トランスミッタ２２がケージ１４のフランジ２４上に取り付けられる。差圧トランスミッタ２２は、一対の入力間の差圧に基づいて出力を供給できる任意の適した差圧トランスミッタであってもよい。適した差圧トランスミッタの例としては、ミネソタ州のチャンハッセンのＲｏｓｅｍｏｕｎｔ社から入手できるＭｏｄｅｌ ３０５１Ｓという商品名で販売される差圧トランスミッタが挙げられる。トランスミッタ２２はハウジング２６を含むことができ、このハウジング２６は、ジャンクションボックスの形態で基本的な現場配線の成端を単にもたらすことができる。しかしながら、ハウジング２６は、差圧トランスミッタ２２のためのローカルディスプレイ及び／又はオペレータインタフェースを設けるのに適した先進エレクトロニクスを含んでもよい。また、ハウジング２６は、Ｈｉｇｈｗａｙ Ａｄｄｒｅｓｓａｂｌｅ Ｒｅｍｏｔｅ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ（ＨＡＲＴ（登録商標））又はＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ（商標）フィールドバス通信を伴う先進のＰｌａｎｔＷｅｂ（登録商標）機能性を与えることもできる。更にまた、ハウジング２６は、ウェブベースのモニタリング及び／又は付加的な発電／蓄電を容易にする先進エレクトロニクスを備えることもできる。最終的に、ハウジング２６は、無線通信によって他の装置と通信するために差圧トランスミッタ２２のための無線インタフェースを備えることもできる。

トランスミッタ２２は、プロセス装置と見なされ、あるいは、それが一般にフィールドに配置されるという意味でフィールド装置と見なされる。プロセス容器はフィールドに配置され、また、トランスミッタ２２が容器１０に対して物理的に近接していることが望ましい。フィールド装置は、多くの場合、極端な温度、振動、腐食、及び／又は、可燃性環境、同様に、電気ノイズに晒される。そのような状況に耐えるため、フィールド装置は特にフィールド取り付け用に設計される。そのようなフィールド取り付け装置は、爆発に耐えるように設計できる頑丈な筐体を利用する。また、フィールド装置は、「本質的に安全」であると言われる回路を伴って設計することもできる。ここで、「本質的に安全」とは、故障状態下であっても回路が一般に火花を発生させるのに十分な電気エネルギを含まないことを意味する。更にまた、電気ノイズの影響を減らすため、通常、電気的絶縁技術が使用される。これらは、差圧を測定し或いは感知する他の電気装置からフィールド装置を区別する設計配慮のごく僅かな例である。

前述した環境配慮は別にして、フィールド装置における他の課題は、配線の課題である。フィールド装置は、多くの場合、プロセスの近くに配置されるとともに、制御室から遠くに離されるため、そのような装置を制御室に結合するために、時として、長い配線を延在させる必要がある場合もある。これらの長く延在する配線は、設置にコストがかかり、維持するのが困難である。必要な配線を減らすための１つの方法は、２配線フィールド装置を使用することである。これらの装置は、２配線プロセス制御ループを使用して制御室に結合する。２配線装置は、プロセス制御ループから電力を受けるとともに、フィールド装置への電力の供給によってほぼ影響されない態様でプロセス制御ループを介して通信する。２配線を介して通信するための技術としては、４−２０ｍＡ信号送信、ＨＡＲＴ（登録商標）プロトコル、ＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ（商標）フィールドバスなどが挙げられる。

図２は、差圧トランスミッタ２２の圧力センサモジュール１０２の断面図である。差圧センサ１４０は、モジュールハウジング１０２内に配置されており、チューブ１４２、１４４によって複数のアイソレータダイアフラム１１０に接続する。アイソレータダイアフラム１１０はモジュールハウジング１０２に対して直接に溶着される。回路基板１４６は、差圧センサ１４０からの電気信号の処理と関連する回路を備える。コネクタ１４８は、回路基板１４６からエレクトロニクスハウジング２６内の回路又は配線への電気的な接続を行なう。ハウジング１０２は、複数のアイソレータダイアフラム１１０が互いに略同一平面上にあるという点でコプラナ圧力センサモジュールと見なされる。圧力センサモジュール１０２は、一般に、圧力検出において比較的新しい基準を示す。特に、圧力センサモジュール１０２としては、ミネソタ州のチャンハッセンのＲｏｓｅｍｏｕｎｔ社から入手できるＭｏｄｅｌ ３０５１Ｓという商品名で販売される図示されたコプラナ圧力センサモジュールが挙げられる。このセンサモジュールは、非常に適応性があり、また、その適合性及びそのモジュール性に起因して様々な用途で使用することができる。しかし、本発明の実施形態は、任意の適した差圧センサモジュールに関して実施できる。

図３は、本発明の一実施形態に係るケージ内に配置される環状ダイアフラムを有するデュアル遠隔シールオイル充填システムの断面図である。ケージ２００は、プロセス容器（図３には示されない）に結合可能な一対のノズル２０２、２０４を含む。ケージ２００は、上方に面する表面２０８を備えるケージフランジ２０６を含み、表面２０８はデュアル遠隔シールフランジ２１０と結合する。デュアル遠隔シールシステム２１２は、ノズル２０２、２０４にそれぞれ近接して配置される一対の環状アイソレータダイアフラム２１４、２１６を含む。一般に、アイソレータダイアフラムは、略平坦であり、円形に形成される。しかし、環状アイソレータダイアフラム２１４、２１６は、ドラム形状基材を取り囲むバンドの形状を成す変形可能な材料の薄層から形成される。したがって、従来のアイソレータダイアフラムの面積はπｒ^２に等しいが、環状アイソレータダイアフラムの面積はπ×（ドラムの直径）×（バンドの高さ）にほぼ等しい。そのため、ケージの密閉空間内において、環状アイソレータダイアフラム２１４、２１６は、従来の平坦な円形のアイソレータダイアフラムを上回る非常に大きい表面積を与える。この表面積の増大により、容器１０内のプロセス流体の液位に関連する圧力の測定における精密さ、精度、及び、安定性が高まる。２つの環状アイソレーションダイアフラム２１４、２１６は、距離間隔Ｄとして図３に示される既知の距離だけ分離される。アイソレータダイアフラム２１４、２１６間の距離を既知の値に固定することにより、標準的な遠隔シール測定技術を介して界面レベルを得ることができる。例えば、（Ｐｈ−Ｐｌ）／ｄ＝密度である。両方の生成物の密度が既知の場合には、トランスミッタ２２からの差圧出力（Ｐｈ−Ｐｌ）をスケーリングして界面レベルを表わすことができる。図３に示されるように、アセンブリ２１２は上端からケージ２００内へ挿入できる。

ノズル２０２に近接する流体の圧力は、環状アイソレーションダイアフラム２１４によって流体通路２１８内の分離流体へと伝えられ、該通路２１８は最終的に充填流体を開口２２０へと伝える。同様に、ノズル２０４に近接する流体を介して環状アイソレーションダイアフラム２１６に及ぼされる圧力は、通路２２２を介して開口２２４へ伝えられる。開口２２０、２２４は、図２に関して示されるアイソレーションダイアフラム１１０と相対的に位置合わせするように配置決めされる。動作中又はアセンブリ２１２がケージ２００内に設置される間に機械的摂動からアセンブリ２１２を保護するために、アセンブリ２００は保護チューブ２２６を含むことが好ましい。保護チューブ２２６は、第１の環状アイソレータダイアフラム２１６に近接する領域からドレンプラグ２２８に近接する底部領域へと延びる。保護チューブ２２６は、プロセス流体が流通できるようにする穴として図３に示される多数の開口を含むことが好ましい。図３は開口２３０を穴として示しているが、スロットを含む任意の適した形状が使用され得る。

本発明の一実施形態によれば、システム２１２は、ＲＴＤ又は熱電対などの標準的な温度プローブを受け入れるように寸法付けられるサーモウェル２３４を含むことが好ましい。サーモウェル内に配置される温度センサは、単一の器具を使用して、容器圧力、温度、及び、界面レベルを与えるための適切な多変数型圧力トランスミッタに結合させることができる。

前述したように、マルチ流体システム内の両方の生成物の密度が既知の場合には、トランスミッタから出力される差圧をスケーリングして界面レベルを表わすことができる。異なる流体が異なる密度を有するとすれば、また、異なる用途が一般に異なるサイズのケージを有するとすれば、本発明の１つの実施形態にしたがって、保護チューブ２２６及び下側アイソレータ２１４を上側アイソレータ２１６及びフランジ２１０から分離できる。特定の用途が特定されたら、適切に寸法付けられた保護チューブ２２６を選択して或いは形成して下側アイソレータダイアフラム２１４に結合できる。また、流体通路２１８を上側アイソレータ２１６の流体通路２３２に結合するために適切な長さの充填流体導管を使用することができる。

図４は、本発明の一実施形態に係る環状アイソレーションダイアフラム３００の斜視図である。ダイアフラム３００は略中実の内側コア又はドラム３０２を含み、ドラム３０２の周囲には、撓むことができるダイアフラム材料３０４のバンドが周縁３０６、３０８に沿って溶着される。充填流体通路３１０が入口ポート３１２からバンド３０４に近接する開口３１４へと延びている。内部のオイル量を最小にするためにコア３０２の側壁３１６を略平坦にすることが好ましいが、明らかに、凹形状又は凸形状などの適した形状を側壁３１６に機械加工できるか、或いは形成できると考えられる。環状アイソレータダイアフラム３００が上側アイソレータダイアフラムである場合には、充填流体を下側アイソレータダイアフラムから通過させるために、コア３０２を垂直に貫通する第２の通路３１８（仮想線で示される）が利用される。しかし、環状アイソレータダイアフラム３００が下側ダイアフラムである場合には、第２の通路３１８が使用されずに塞がれてもよい。したがって、全てのアイソレーションダイアフラムにそのような垂直通路を形成するが、それらを上側ダイアフラムだけで使用することにより、そのような環状ダイアフラムの製造を標準化できると考えられる。

本発明の実施形態は多数の利点を与える。具体的には、機械的構成がディスプレーサ型器具の直接的な改造を可能にする。また、標準的な圧力トランスミッタの利用が規模の経済性を可能にする。更に、遠隔シール技術は、実績があり、容器内の比較的高い圧力に耐えることができる。更にまた、外部環状シール形状は、チューブ形状実装を維持しつつダイアフラム面積をかなり増大させる。更にまた、本発明の実施形態は、一般に、ダイアフラムアセンブリ間の距離に対する設計変更に対応する。

本発明を好ましい実施形態に関連して説明してきたが、当業者であれば分かるように、本発明の思想及び範囲から逸脱することなく形状及び細部において変更を行なうことができる。

Claims (3)

1. 容器ケージ内のプロセス流体圧力をプロセス流体圧力トランスミッタへ伝えるための環状アイソレータであって、
   側壁及び一対の周縁を有する円柱状コアと、
   前記コアの周縁にそれぞれ結合される第１及び第２のエッジ領域を有するアイソレータダイアフラムバンドと、
   前記コアの側壁から前記コアの上面へと延びる第１の充填流体通路と、
   前記コアの底面から前記コアの上面へと延びる第２の充填流体通路と、
   を備え、
   前記アイソレータダイアフラムバンドは、前記ケージ内のプロセス流体圧力に応じて撓むように構成される、環状アイソレータ。
2. 前記第１の充填流体通路が、前記コアの前記上面に近接する雌ネジポートに結合される請求項１に記載のアイソレータ。
3. 前記アイソレータダイアフラムバンドが一対の周方向溶着部により前記コアに溶着される請求項１に記載のアイソレータ。

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