JP5346423B2 - 一体形テーパ拡径部を備えたフランジ付渦流量計 - Google Patents

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Description

本発明は、フランジ付渦流量計に関する。特に、本発明は、渦流量計の孔部の口径よりも大きな口径を有するフランジ付配管システムに対する渦流量計の接続に関する。
渦流量計は、流体の流速を測定する産業上のプロセス制御分野において利用されている。渦流量計は、測定する流体を搬送する流管つまり管路内に挿入設置されるのが普通である。産業上の適用分野として、石油産業、化学工業、製紙工業、採掘産業、素材産業、オイル、ガス工業などがある。渦流量計の動作原理は、カルマン効果として周知の渦流傾斜現象に基づく。流体が壁体を通過する際、障害物の両側面や背面に交互に小さな渦巻つまり渦流を分離・発生する。そのような渦流により、センサによって感知される圧力変動領域が発生する。渦流の周波数は基本的に流体の速度に比例するが、その比例程度は管路のレイノルズ数によって変動する。管路のレイノルド数は、流体密度、流体粘度、流体速度、管路内径の関数である。
配管システムにおいては、その配管システム内の出力損失を低減するために、レイノルズ数を低くすることが望ましい。出力損失低減の要求は、配管システムにおいて大きな口径の流管を使用することとし、流体の低流速レンジを使用することにつながる。
しかし渦流量計には、測定可能な流量範囲に制限がある。流速がその測定可能範囲の下限以下となると、渦流量計の流量の正確な計測値に対する信頼性が落ちる。
そこで、出力損失を低減するため大口径の流管を使用する配管システムにおいてみられていた、流量範囲を超えて、正確な流量測定値を出力できる渦流量計が必要となる。
2つまたはそれ以上のサイズ番号段階中の流管フランジ部のサイズ番号よりも小さな孔部サイズ番号を有する2個またはそれ以上の数の一体形流管のうちの1つを有する渦流センサ構成体の組立てを可能にする渦流量計の製造方法を開示する。前記一体形流管は、フランジ部と、流管孔部と、大口径のフランジ部から小口径の孔部への流れの遷移を滑らかにする拡径部とからなり、前記流管孔部と前記拡径部との間に接合部がない。
好適な一実施例として、前記一体形流管を一体キャスト構造で形成する。また別の好適実施例では、一体形流管の上流側フランジ部に流量調整器が配備される。
2つまたはそれ以上のサイズ番号段階中の流管フランジ部のサイズ番号よりも小さな孔部サイズ番号を有する2個またはそれ以上の数の一体形流管のうちの1つを有する渦流センサ構成体の組立を可能にする渦流量計の製造方法を開示する。一体形流管は、フランジ部と、流管孔部と、大口径のフランジ部から小口径の流管孔部へのスムーズな遷移流れをつくる拡径部(または縮径部)とからなる。開示された方法では、所望の流量となるよう、異なる孔部のサイズ数とフランジのサイズ数を組み合わせるが、渦流センサ構成体としては在庫中の標準センサインタフェース部を備えた単一形態のものを有する。
前記渦流量計に接続されたフランジ付配管システムからの流量は、小径の孔部を通過するときに流速が大きくなる。この構成によれば、液体の流量を渦流量計の測定範囲へ効果的に変化させることができ、流量を正確に測定できる。流管径が流量計の孔径より標準サイズで二つ以上大きい実施例では、流量計でのレイノルズ数が局所的に実質上大きくなるため、流量だけでなく流管の内壁面も管理することが重要である。一体形流管を一体構造で形成すると、乱流や誤差を発生させる流管孔部と拡径部との間の継ぎ目が無くせる。加えて、いくつかの実施例では、流体が小径域を通過するときには流量の非対称性が誇張されるため、流量の非対称性を軽減できる流量調整器を備えている。開示された構成では、正確な流量測定に加えて、配管システムに大口径のフランジ付流管を使うことにより省エネルギーを実施している。
渦流量計内でレイノルズ数が2000〜10000の範囲の渦流を発生させることも可能であるが、流量がこのような低速のときには渦流周波数は予測どおりの線形とはならない。一般的に、線形での流量測定においては、レイノルド数の下限値は20000である。渦流量計動作の下限値は、渦流量計のセンサで測定可能な最小流速値でも決まる。測定する流体が液体か気体によっても測定下限値は変わり、特に、測定値は流体の密度および速度に依存している。
図1は、渦流量計とフランジ付流管のサイズ番号の表20を示す。図1に示すように、配管システムは、1/2インチ、1インチ、1−1/2インチなどの公称流管サイズを使って設計されている。本発明の実施例の説明を簡単にするため、本システムでは、順番に拡径する公称サイズを拡径に連れて大きくなるサイズ番号(NやMなど)で表している。図1に示す公称口径の孔部をもつ標準的な渦流量計の測定範囲の単位は、毎分ガロン(GPM)である。しかし、実際の渦流量計孔部の内径が、同様の公称内径をもつフランジ付流管の実際の内径よりもわずかに小さいことは当業者には理解できよう。実際のフランジ付パイプの内径は、ASME標準B36.10、ASME標準B36.19、ISO標準4200、ISO標準1127に規定されている。図1の例から明らかなように、渦流量計の流量範囲は、制限され、互いが重なる。
渦流量計は、1/2インチ、3/4インチ、1インチ、1−1/2インチ、2インチ、およびそれ以上などの、標準化された公称パイプ径の段階内でのサイズ範囲や異なる圧力の範囲で作動するフランジ付配管システムに設置できるよう設計されている。渦流量計は、これら標準化された段階の公称流管径に対応する公称径を有する流管のフランジと合致できるように適合された流量計のフランジを備えて製造される。
渦流量計の精度は、乱流に対して敏感である。例えば、フランジ接続部のガスケット部材が管内まで伸びていると、そのガスケットは流れを妨害して、測定値を不正確にしてしまう。通常、測定精度への障害の影響を低減するため、渦流量計は、上流側では最低でも口径の10倍分離して、下流側では最低でも口径の5倍分離して設置する。流れの妨害の種類によっては、測定精度を正確にするため、上流側で口径の35倍まで離す必要があろう。
プロセス用配管システムの設計においては、流速を下げ、これによって、プロセス配管システムの流体のポンプ搬送に要するエネルギコストを削減するために、「オーバーサイズ」配管にすることが普通である。オーバーサイズ配管にすれば、流速を流管と同じ公称口径の渦流量計の線形測定範囲以下まで簡単に下げることができる。渦流量計は流量測定範囲の下限では測定できないが、測定範囲の上限が管の流量上限値よりも大きいため上限での測定が可能なのが、渦流量計にとって一般的である。そのような場合、渦流量計のサイズを1パイプサイズ段階下げて、流管縮径部材を使って「サイズを下げた」渦流量計を大きいサイズの流管に接続することが望ましい。多くの場合、この操作により、渦流量計の圧力が低下するため、容認できないエネルギコストの上昇を招くことなく、渦流量計の流速を流管の低速値を測定可能にまで上げることができる。
図2は、流速関数としての配管システムにおける相対出力損失のグラフ図である。グラフの縦軸30は、渦流量計が使用されている配管システムにおける相対出力損失を示す。出力損失は相対尺度として図示されており、実際の出力損失計算値は流体の組成、温度、その他の要素に基づく尺度で図示できる。グラフの横軸32は、毎分ガロン(GPM)単位の流量を示す。縦軸30および横軸32は、対数目盛をもつ。全体に傾斜している線34、36、38、40、42、44は、それぞれ公称口径が1インチ、1−1/2インチ、2インチ、3インチ、4インチ、6インチの配管システムにおける容積流速の関数としての相対出力損失を表している。3〜10GPMの好適な測定流量範囲においては、流管の公称口径が大きくなるにつれ、配管システム内の相対出力損失が低下するのが分かる。この相対出力損失の低下現象を利用して、グラフの実線42で示す4インチ口径の流管などの比較的大口径の流管を選定することができる。
公称口径が1/2インチ、1インチ、1−1/2インチ、2インチ、3インチ、4インチ、6インチの渦流量計孔の公称サイズに対応した渦流量計の流量範囲を、それぞれ長方形の枠50、52、54、56、58、60、62で示す。4インチの内部孔部の渦流量計の流量範囲60を好適な測定範囲48と比較すると、その流量範囲60は好適な測定範囲48の上側の一部分しかカバーしていないことが判る。一方、2インチや1−1/2インチの渦流量計は、好適な測定範囲48全域をカバーしている。言い換えれば、本事例では、配管システムの流管サイズ番号がN=6(出力損失の曲線42によれば4インチ径)であって、好適な測定範囲48で正確に測定するための渦流量計の孔部がサイズ番号N=4(枠56)とN=(枠54)となる。サイズ番号N=2でも好適な測定範囲48をカバーできるが、その小さいサイズによって大きい出力損失を招いてしまう。小径のフランジ付渦流量計を、従来のフランジ付縮径部材やガスケットを使って大口径の配管システムに接続した場合、複数のフランジ接続部材における接続不整合や、ガスケット部分の流体の流れへの突出のため、渦流量計の出荷前校正値から逸脱する恐れがある。また、2個のフランジ付縮径部材を取り付けたり、4個のフランジ付流管接続管を組み立てる際の作業コストは非常に高い。この問題点は、下記に図3〜10で説明するように、流量計の内部孔部と縮径部材との間にガスケットやフランジ付接続部材を装備しない一体形流管により解決できる。
図3は、フランジ部のサイズ番号と一体形流管の内部孔部のサイズ番号のマトリクス行列の一例を示す表である。「サイズ番号」は、図1で説明した。この形態例では、製造工程にて適用したそれぞれの行列の組み合わせを、X印で示しており、製造工程で適用しないものは無印となっている。
例えば、番号70で示すように、サイズ番号6の内部孔部をもつ一体形流量計では、フランジ部のサイズ番号が7と8である。別の表現では、内部孔部が4インチ径の流量計は、そのフランジ部の径が6インチと8インチである。つまり、内部孔部のサイズ番号がNの流量計では、フランジ部のサイズ番号を(N+1)と(N+2)とする。これら組み合わせの詳細な説明を、図4A、4B、5A、5Bを参照して下記に述べる。
別の例として、符号72で示すように、サイズ番号が6のフランジ部を備えた一体形流量計の内部孔部は、サイズ番号が4と5である。別の言い方では、4インチ径のフランジ部をもつ流量計の内部孔部は、口径が2インチと3インチである。つまり、サイズ番号がのフランジ部をもつ流量計の内部孔部は、サイズ番号を(M−2)と(M−1)とする。これら組み合わせの説明も、図6Aと6Bを参照して下記に詳細に述べる。
図3のX印で示す適用した組み合わせは、一体形流量計上の標準形渦流センサインタフェースを含む。本構成では、渦流量計の製造最終工程が、一体形流管構成体の1つに、標準式のセンサインタフェース適合できる形状の渦流センサ構成体を単に組み合わせるだけですむ。一体形流管構成体の校正は、縮径部やフランジ部を所定位置に付けた状態での流量測定値を使って行う。その後、完成した渦流量計内の、好ましくは、渦流量計回路のEEPROM内に校正値を格納する。拡径部による変動値は、すべて、校正処理にて修正できる。ユーザの要求に鑑み、配管システムのフランジ径サイズに適合する流量計のフランジ径と好適な測定範囲との正しい組み合わせが、正確、迅速、かつ、経済的に製造されて出荷できる。カスタムメイドされる渦流量計の待ちにも、遅滞なく応じられる。
図4Aと4Bには、それぞれフランジ部のサイズ番号が(N+1)と(N+2)で、内部孔部のサイズ番号がNである一体形流管80と82が図示されている。2つの一体形流管80と82の内部孔部のサイズ番号Nは同じであって、流量測定範囲も同様に、図1に示すようなサイズ番号がNの場合の流量測定範囲などから選定された範囲である。
渦流量計の製造方法は、一体形流管80や82上の標準センサインタフェース部86に適合できるように形成した渦流センサ構成体を提供することを含んでいる。
前記第1の一体形流管80が設けられていて、センサインタフェース部86が標準式であった場合、サイズ番号(N+1)のフランジ部88がテーパ拡径部90によりサイズ番号Nの第1の内部孔部92に接続される。第1の一体形流管80の第1フランジ部は、選定された流量測定範囲用に1段階だけオーバーサイズに形成したサイズ番号(N+1)のものである。
前記第2の一体形流管82が設けられていて、センサインタフェース部86が標準式であり、サイズ番号(N+2)のフランジ部98がテーパ拡径部100によりサイズ番号Nの第2の内部孔部102に接続されている。第2の一体形流管80の第2フランジ部は、選定された流量測定範囲用に2段階だけオーバーサイズに形成したサイズ番号(N+2)のものである。
最後に、フランジ部のサイズ番号が(N+1)または(N+2)である渦流量計を選択して、前記第1と第2の一体形流管80および82の選択された一方の標準センサインタフェース部86で、一つの渦流センサ構成体と接合する。
前記拡径部90、100は、それぞれ流管フランジ部88、98と一体で単一のシームレス鋳造品として形成するのが好ましく、それを機械加工して溶接ネック部94、104をもつ最終形状にする。流量計内部孔部92、102も同様に機械加工して、溶接ネック部96、106を含むようにする。拡径部90、100の溶接ネック部94、104の縁端は、流量計内部孔部92、102の溶接ネック部96、106の対向縁端と正確に整列させて溶接で接合される。そして、溶接部を注意深く検査し、必要に応じて、流量測定の精度に悪影響を与えるような整合不良や突起がないよう再度機械加工して、一体形流量計の径寸法の内壁面を平滑に仕上げる。完成した一体形流管80、82は、一体形成されており、言い替えれば、拡径部と内部孔部との溶接の接合部に突起がない。接合部が永久溶接されているため、ユーザの作業現場で再組立する場合でも、不用意な分解や不整合が発生する恐れがない。
図5Aと5Bには、単一の一体形ボディとして鋳造された一体形流管130と132を示す。図5Aと5Bの一体形流管130と132は、図4Aと4Bの一体形流管80と82と同様である。図5Aと5Bで示す参照符号は図4Aと4Bで示す参照符号と同じで、同一または同様の特徴を示している。一体形流管130と132は、それぞれ一体鋳造品として鋳造され、最終形状になるよう機械加工されているため、乱流を発生させ測定精度に悪影響を与えるような内部孔部と拡径部との間のシームやガスケットが存在しない。その他の点でも、図5Aと5Bに図示の一体形流管130と132は、図4Aと4Bの対応する一体形流管と同様である。
図4A、4B、5A、5Bに図示の形態例は、図3の例70にほぼ対応している。
図6Aと6Bには、フランジ部のサイズ番号がMで、内部孔部のサイズ番号がそれぞれ(M−1)92と(M−2)102である一体形流管150と152を示す。2個の一体形流管150と152のフランジ部は、サイズ番号は同じであるが、図1表の例でのサイズ番号(M−1)と(M−2)にそれぞれ関係するように、異なった選択された流量測定範囲を有する。 図6Aと6Bの一体形流管の形状も、図5Aと5Bの一体形流管のものと同様であり、図6Aと6Bで示す参照符号は図5Aと5Bで示す参照符号と同じで、同一または同様の特徴を示している。
渦流量計の製造方法は、各々の一体形流管150および152の標準センサインタフェース部156と158に適合するように形成された渦流センサ構成体の提供を含んでいる。
標準のセンサインタフェース部156を有する第1の一体形流管150が提供される。第1の一体形流管150は、サイズ番号がMであって、テーパ拡径部90により、サイズ番号(M−1)の第1の内部孔部92に接続されたフランジ部162を有しており、第1の流量測定範囲を提供している。
前記第2の一体形流管152は、標準のセンサインタフェース部158を有している。この一体形流管152は、サイズ番号がMであって、テーパ拡径部100により、サイズ番号(M−2)の第2の内部孔部102に接続されたフランジ部164を有しており、第2の流量測定範囲を提供している。
その他の点でも、一体形流管150と152の構造は、一体形流管130と132の構造と同様である。一体形流管150と152は、それぞれ単一の鋳造によって造られるが、図4Aと4Bに図示の例で説明したように溶接することもできる。図6Aと6Bの例は、図3の表72に対応している。
図4Aと4B、あるいは、図5Aと5Bの例は、図3の表72に示す複数のフランジサイズ番号に対する単一の内部孔部サイズ番号の例である。図6Aと6Bの例は、図3の表72に示す単一のフランジサイズ番号に対して、複数の内部孔部サイズ番号の例である。
図7には、(図4A、4B、5A、5B、6A、6Bに図示と同様の)一体形流管178を有し、流量調節器180を備えた渦流量計176を示す。渦流量計176は、一体形流管178の上側平面に4本のボルト(図示しない)で取り付けられている渦流センサ構成体174を有する。渦流センサ構成体174は、図10に詳細に示されている標準センサインタフェース部を含んでいる。
前記流量調整器180は、一体形流管178の上流側つまり流入側フランジ184の内径182に嵌挿できるよう形成されている。なお、流量調整器180は、フランジ184の内径に嵌挿できるよう形成するものに限らず、一体形流管178のフランジ、拡径部、流管孔部とともに単一の一体鋳造品として成形してもよい。流量調整器180のサイズは、一体形流管178の内部孔部186の直径よりも大きい。内部孔部186には、渦流シェディングバー188が挿入固定されている。流量調整器180には、流体が通過できる複数の孔190が形成されている。また流量調整器180には、それら複数の孔190のまわりに固体部192が設けられており、流体の流れが阻止される。流量調整器180を、図8、9A、9Bを参照して下記にさらに詳しく説明する。
渦流量計電子回路194は、図示のように近接して、又は遠隔に取り付けられる送信機外枠部196内に設けられる。渦流量計の電子回路194には、流量試験施設における流管184の試験で得られた校正データを格納するための、電子的に消去可能な読出専用メモリ(EEPROM)198を備えるのが好ましい。
図7では孔190が丸い形状であるが、孔の形状はそれに限らず、適用例の要件に応じて変更可能であるのは理解できよう。孔190は、楕円や長径孔でも構わない。
図8は、流量調整器200の一部の拡大破断図である。流量調整器200は設けられた孔202、204の角端部206、208は鋭角でなく、乱流を削減して流れの状態をよくするため、丸みを付けた、つまり、流線形状に構成されている。流量調整器200により流れは直線状となるため、流量の測定精度に悪影響を与えるような大きな渦流を起こさずに流管内へ流入させることができる。
図9Aは、図8の線9−9’に沿った薄い板状に形成された流量調整器の断面図である。本例の流量調整器は、多数の孔202、204が貫通した板で構成されている。板の多数の孔202、204の周りには、流線形状の端部206、208が形成されている。
図9Bは、図8の線9−9’に沿った流量調整器の断面図であって、図9Aの板形状よりも厚い板に、多数の流線形状のベーン210を取り付けたものである。
図10は、一体形流管孔部220と渦流センサ構成体222の部分分解図である。流管孔部220は、前記の図4Aと4Bで説明した縮径部に接続された、スプール形状の断面部224に囲まれている。スプール部224は、溶接ネックフランジ部で縮径部に溶接してもよいし、縮径部と一体鋳造することもできる。スプール部224の内径226のサイズ番号はNであって、それにより内部孔部220が決定される。矢印228で示すのは、内部孔部220を通過する流体の流れの方向である。
渦流シェディングバー230が前記内部孔部220に横断方向に伸長されており、その両端がスプール部224の内壁面に固定されている。小さな屈曲部は、前記渦流シェディングバー230により周辺域に支持された薄い検知ダイヤフラム232を含んでいる。検知ダイヤフラム232は流体の流れに面しており、渦流シェディングバー230によって発生した渦によって交互に作用する力に反応して、矢印234で示す交差方向に振れる動作をする。その検知ダイヤフラム232の振れをスプール224を通じて転送するためのビーム236が、前記検知ダイヤフラム232に連結されている。ビーム236は、検知ダイヤフラム232の偏向に従って枢支軸238まわりに回転または揺動するため、スプール224に取り付けられた圧電渦流センサ構成体222に横方向の応力を印加することになる。圧電渦流センサ構成体222は、ビーム236の横方向の移動を検知して、渦流周波数つまり内部孔部220を通過する液体の流速を示す周波数を有する圧電検知信号を発生し、信号出力部240から出力する。信号出力部240は、渦流量計の電子回路に接続されている。渦流センサ構成体222は、スプール224の上側平面の孔242に嵌挿して、ビーム236と係合できるような形状に構成されている。孔242やビーム236の大きさや形状は、一体形流管の標準センサインタフェース部に対応している。図10に示す構成例は、クレベン(Kleven)らの米国特許第4,926,695号に開示されており、本発明の参照例として引用するものである。
本発明は、前出の好適実施例に基づいて説明してきたが、それに限定されず、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能であることが、当業者には十分に理解できよう。
流管と渦流量計のサイズ番号の表である。 流速関数としての配管システム内の出力損失のグラフ図である。 フランジ部のサイズ番号と渦流センサ構成体のサイズ番号の対応表である。 フランジ部のサイズ番号が(N+1)と(N+2)で、内部孔部のサイズ番号がNである一体形流管の図である。 フランジ部のサイズ番号が(N+1)と(N+2)で、内部孔部のサイズ番号がNである一体形流管の図である。 一体構造にキャスト成形された一体形流管の図である。 一体構造にキャスト成形された一体形流管の図である。 フランジ部のサイズ番号がMで、内部孔部のサイズ番号が(M−1)と(M−2)である一体形流管の図である。 フランジ部のサイズ番号がMで、内部孔部のサイズ番号が(M−1)と(M−2)である一体形流管の図である。 流量調整器を備えた渦流量計の図である。 流量調整器の一部の拡大図である。 薄い板から形成された流量調整器の、図8の9−9’線に沿った断面図である。 複数のベーンで構成された流量調整器の、図8の9−9’線に沿った断面図である。 一体形流管の標準センサインタフェース部と渦流センサ構成体の分解図である。

Claims (10)

  1. 公称パイプサイズ番号Nの流管フランジ間に接続できる渦流量計であって、
    公称パイプサイズ番号Nの上流側と下流側の流管フランジ部(162,164)と、Aが整数の1か2である(N−A)の公称パイプサイズ番号をもつ孔部(92,102)と、それら流管フランジ部と孔部とを連結する拡径部(90,100)とを有する一体形流管(150,152)と、
    複数の前記公称パイプサイズ番号の前記孔部をもつ一体形流管の標準センサインタフェース部(156,158)に嵌挿できる形状の渦流センサ構成体(174,222)とからなり、
    前記一体形流管がシームレスの一体鋳造成形体で形成されている渦流量計。
  2. さらに、前記一体鋳造成形体の一部として、多数の開孔が設けられたプレートで構成された流量調整器を含む請求項記載の渦流量計。
  3. 前記プレートは、前記多数の開孔の周囲に流線型状の縁部を備える請求項2記載の渦流量計。
  4. さらに、前記一体鋳造成形体の一部として、流線形状の縁部をもつベーンで構成された流量調整器を含む請求項1記載の渦流量計。
  5. さらに、前記拡径部および前記フランジ部を取り付けて測定した流量測定値を使った校正値を格納する手段を備える請求項記載の渦流量計。
  6. 公称パイプサイズ番号Nの流管フランジ間に接続できる渦流量計であって、
    公称パイプサイズ番号Nの上流側と下流側の流管フランジ部(162,164)と、Aが整数の1か2である(N−A)の公称パイプサイズ番号をもつ孔部(92,102)と、それら流管フランジ部と孔部とを連結する拡径部(90,100)とを有する一体形流管(150,152)と、
    複数の前記公称パイプサイズ番号の前記孔部をもつ一体形流管の標準センサインタフェース部(156,158)に嵌挿できる形状の渦流センサ構成体(174,222)とからなり、
    上流側の前記流管フランジ部内の開口を横切って設けられた公称パイプサイズ番号がNである流量調整器とからなる渦流量計。
  7. 前記流量調整器は、多数の開孔が設けられたプレートからなる請求項6記載の渦流量計。
  8. 前記プレートは、前記多数の開孔の周囲に流線型状の縁部を備える請求項6記載の渦流量計。
  9. 前記流量調整器は、流線形状の縁部をもつベーンを含む請求項6記載の渦流量計。
  10. さらに、前記拡径部および前記フランジ部を取り付けて測定した流量測定値を使った校正値を格納する手段を備える請求項6記載の渦流量計。
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