JP5635079B2 - 流速測定のための電磁流量計 - Google Patents

Description

本発明は、工業プロセスプラントにおけるプロセス流体の流速を検知する電磁流量計に関する。より具体的には、本発明は電磁流量計を用いた流速の測定に関する。

電磁流量計は当業者に知られており、電磁石のコイルおよび電極のそばを通過するプロセス流体の流れを運ぶ電気的に絶縁された流管に利用されている。電極の磁石は流れているプロセス流体に電磁場を加える。ファラデーの電磁誘導の法則により、流体中の一対の電極間で電圧または起電力（ＥＭＦ）が発生する。この電圧は加えた電磁場の強度の関数であり、かつ流体の流速に比例する。

検知された電圧は流管を通るプロセス流体の体積流速に比例する。しかしながら、質量流速はその速度および流体の密度の両方に関連する。質量流速は流体速度密度と流管の断面積を掛け合わせることによって算出することができる。しかしながら、多くの流体においては、流体密度は流体温度に関連する。質量流速の測定の目的で一般的な電磁流量計を使用するためには、質量流速算出を行うために別個の温度センサーを利用しなければならない

プロセス流体の流れの流速を測定するための電磁流量計は、プロセス流体の流れを受けるように配置される流管を含む。駆動信号に応答して流れに磁場を加えるために、流管に近接して磁気駆動コイルが配置される。加えた磁場およびプロセス流体の流速に関連するプロセス流体の電位を検知するために、少なくとも１個の電極が配置される。温度測定回路が磁気駆動コイルに接続され、駆動コイルの電気的パラメータに基づく駆動コイルの温度を示す温度出力を与えるように構成される。少なくとも１個の前記電極に接続される流速測定回路は、検知された電位に基づいて流速出力を与えるように構成される。

電磁流量計を含むプロセス制御システムを示す略図である。 図１に記載の電磁流量計の部分的断面図である。 図２に記載の電磁流量計の構成要素を示す簡略化したブロック図である。 質量流量計流管の簡略化した断面図である。 流量計４Ａの熱コンダクタンスプロセスの簡略化した電気的相当部配線図である。 温度に対するコイル抵抗およびコイルインダクタンスを示すグラフである。 コイルの温度が変化するときの時間に対するコイル抵抗およびコイルインダクタンスのグラフである。 コイルの温度が変化するときの時間に対するコイル抵抗のグラフである。

本発明は、流量計のコイルの電気的パラメータを測定し、かつ質量流速測定値に温度補正を与えるために用いる、質量流速を測定するための電磁流量計を提供する。

図１においては、電磁流量計１０２のための一般的な環境が１００に図示される。図１においては、電磁流量計１０２が、同様に調節弁１１２にも接続するプロセス配管１０４に接続していることを示す。電磁流量計１０２は、たとえばスラリー、液体、化学物質中の蒸気および気体、パルプ、石油、ガス、医薬品、食品のようなプロセスプラント中の流体および他の流体処理プラントと関連する、１つ以上のプロセス変量を監視するように構成することができる、１つのタイプのプロセス変量トランスミッターの１つの例である。電磁流量計においては、監視されるプロセス変量は流管１０８を通るプロセス流体の速度
に関連する。電磁流量計１０２の出力は、通信バス１０６を経由して制御装置またはインジケーターに長距離送信されるように構成される。一般的な処理プラントにおいては、通信バス１０６は、たとえばシステム制御装置／監視装置１１０または他の機器のような、制御装置への４−２０ｍＡ電流ループ、フィールドバス接続、パルス出力／周波数出力、ＨＡＲＴ（登録商標）プロトコル通信、無線通信接続、イーサネット（登録商標）または光ファイバー接続でありえる。システム制御装置１１０は、人間のオペレータに流速情報を表示するためのプロセスモニター、または調節弁１１２を用いて通信バス１０６を通じてプロセスを制御するためのプロセス制御装置としてプログラムされている。

図２においては、電磁流量計１０２の断面斜視図が全般的に示される。電磁流量計１０２は流管１０８に接続される電子装置ハウジング１２０を含む。流管１０８は流管１０８を通して流れる流体中に磁場を誘起するために用いられる電磁コイル１１２を含む。流管１０８中の電極１２４は、流れの速度および加えられた磁場によって流体中に発生するＥＭＦを検知し、かつ同様にノイズに敏感なＥＭＦセンサーを提供する。電子装置ハウジング１２０中のコイル駆動回路１３０（図３に示す）は駆動信号を電磁コイル１２２に与え、かつ電極１２４はＥＭＦ出力１３４をＥＭＦ信号増幅器１３２（同じく図３に示す）に与える。

図３においてブロック図は、流管アセンブリ１０８を通過する流動性のあるプロセス流体の流速を測定するための電磁流量計１０２の１つの実施態様を示す。コイル１２２は、コイル駆動回路１３０から加えられた駆動電流に応答して流体の流れの中に外部磁場を加えるように構成される。ＥＭＦセンサー（電極）１２４は、流体の流れを電気的に捉え、流体の流れの中で加えられた磁場および流体速度に応じて発生するＥＭＦに関連するＥＭＦ信号出力１３４を増幅器１３２に与える。アナログ・デジタル変換器１４２は、デジタル化されたＥＭＦ信号をマイクロプロセッサシステム１４８に与える。流量計電子装置１４０のマイクロプロセッサシステム１４８に実装される信号プロセッサ１５０は、ＥＭＦ出力１３４に接続して流体速度に関連する出力１５２を与える。メモリー１７８は、プログラム命令または下記のような他の情報を記憶するために用いることができる。

マイクロプロセッサシステム１４８は、下記に示されるファラデーの法則に明記されるようなＥＭＦ出力１３４と流体速度との関係に従って、流管１０８を通る速度を算出する：

ここで
ＥはＥＭＦ出力１３４に関連する信号出力１５２であり、
Ｖは流体の速度であり、
Ｄは流管１０８の直径であり、そして
Ｂは流体中の磁場の強度である。
ｋは比例定数である。
マイクロプロセッサシステム１４８は、既知の技術に従ってプロセス流体の流速を算出するために速度（Ｖ）を用いる。マイクロプロセッサシステム１４８に接続するデジタル・アナログ変換器１５８は、アナログ送信出力１６０を発生し通信バス１０６に接続する。デジタル通信回路１６２はデジタル送信出力１６４を発生する。アナログ出力１６０およびデジタル出力１６４は、随意にプロセス制御装置またはモニターに接続することができる。

本発明によれば、流量計１０２は温度検知回路１８０をも含む。温度検知回路１８０は、コイル１２２と接続し、コイル１２２の温度に関連する出力１８２をマイクロプロセッサシステム１４８に与えるように構成される。温度検知回路１８０は任意の技術に従って作動することができ、１つの例示的実施態様が下記にさらに詳細に記載される。検知された温度と検知されたＥＭＦ１３４とを用いて、マイクロプロセッサシステム１４８は質量流速を下記のように算出する：

ここで
Ｍは質量流速であり、
αは流体の密度であり、
Ｖは式１に従う速度であり、そして
Ａは流管の断面積である。

「背景技術」の欄の記載および式２によれば、質量流速の算出には密度を測定することが必要である。いくつかの実施例においては、密度の固定値がオペレータによって入力され、かつ、質量流速を算出するために温度にかかわらず使用される。しかしながら、このことは重大な誤差を生じさせる。たとえば、温度が０℃から１７７℃に変化すると、水の密度が１０％より多く変化する結果となる。質量流速計で流体の温度を測定することは、流体の密度を算出するために、そして質量流速の測定において向上した精度を提供するために用いることができる。さらには、温度情報を冗長計測点として用いることができる。質量流速計で提供された任意の追加の温度情報は、別個の温度センサーによる測定値との比較または検証のために用いることができる。温度情報はまた、プロセスがその想定される温度限界、または、たとえば流管のようなプロセスの特定の構成要素の温度限界を超えたことを示すために使うことができる。このような限界を超えた温度は、構成要素の寿命を短くさせ、そして早期故障を起こさせる結果となりうる。

本発明によれば、流量計のコイル１２２を通過する信号に基づいて温度関連の出力を与えることにより、流管およびプロセス流体の温度が推測される。たとえば、流管１０８に隣接したコイル１２２の抵抗およびインダクタンスは、測定されることができ、そしてコイル温度に関連する。このことは、流管１０８中で運ばれるプロセス流体の温度を推測することに用いることができる。

図４Ａは流量計１０２の簡略化した断面図であり、流管ハウジング１９０の中を通る流管１０８を示す。コイル１２２は流管１０８に隣接して位置する。非導電性流管ライナー１９２は流管１０８の内側を覆う。流管１０８はたとえばステンレス鋼を含むことができる。

図４Ｂは、図４Ａに図示される流管配置の熱コンダクタンスプロセスの簡略化した電気的相当部である。図４Ｂにおいては、前記相当部回路２００は下記の記号を用いる：
Ｔ_{Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ}-電子装置温度
Ｔ_{Ａｍｂｉｅｎｔ}-周囲空気温度
Ｔ_{Ｃｏｉｌｓ}-コイル温度
Ｔ_{ＰｒｏｃｅｓｓＦｌｕｉｄ}-プロセス流体温度
Ｒ_{Ｅｌｅｃｔ}-ハウジング
Ｒ_{Ｔｕｂｅ Ｈｏｕｓｉｎｇ}-周囲空気からコイルまでの熱抵抗
Ｒ_Ｔｕｂｅ-ステンレス鋼管の熱抵抗
Ｒ_{Ｌｉｎｅｒ}-ライナーの熱抵抗
プロセス流体の温度の判定においては、正確にプロセス温度を推測するために、周囲空気温度を考慮にいれる必要がある。図４Ｂに図示されるように、周囲空気温度を推測するために、電子装置温度を用いることができる。たとえば、電子装置温度は周囲温度より一般的に約１０℃高い。これは製造プロセスの途中で調整できるか、または実験的に判定することができる。

周囲温度が確認された時点で、下式を用いてプロセス温度を判定することができる：

流量計流管１０８の各々の配管径についての熱抵抗は、算出することができ、または、実験的に判定することができる。これはまた精度を向上させるために製造プロセスの途中で調整できる。流量計１０２は、トランスミッター結合部中の各々の配管径または個々の流管ごとの係数を、マイクロプロセッサシステム１４８のメモリー１７８に記憶することができる。

図５は、０．１５インチ流管の場合の、温度に関連したコイル抵抗とコイルインダクタンスとの関係のデータ例を図示する。図５は、コイル抵抗（ohms）対コイルインダクタンス（mH）のグラフであり、温度に対してはそれらが直線的に変化する様子を図示している。

図６は、時間に対するコイル抵抗とコイルインダクタンスのグラフである。図６のグラフにおいては、直径３インチ流管の場合のコイルインダクタンスとコイル抵抗が示される。図６のグラフを作成するために、流管に温水を注入した。温度を安定させ、かつ、管内の温度を約０℃まで低下させるために氷が水に添加された。通常の流速条件下では、温度はより迅速に変化するであろうことに留意すべきである。

コイルの測定におけるプロセス温度の影響は、温度変化に必要とされる質量が大きいために大いに弱められる。コイル抵抗の測定値は非常にきれいなので、測定値を読み取ることは容易である。たとえば、線型カーブは抵抗値を予見するのに用いられうる。測定データを平滑化するために一次ローパスフィルタを用いることができる。このことで、システムを温度の段階変化に迅速に対応させることができる。

図７は、時間に対する抵抗値（ohms）のグラフであり、温度変化の領域にわたる生のコイル抵抗および予測されたコイル抵抗を示す。図７におけるコイル抵抗値は、直近の５個の測定値の直線近似を算出することによって予測した。この近似結果は、その後の１５測定点先までの予測温度に反映された。これは比較的単純な予測モデルであるが、温度情報を与えることができる。各々の特定の配管径について温度の段階変化の曲線近似が判定される、より複雑な予測モデルを用いることができる。この情報をメモリー１７８に記憶することができる。

この実施例においては、回路１８０はコイル１２２に接続する差動増幅器を含む。増幅器からの出力はアナログ・デジタル変換器を用いてデジタル化され、そしてマイクロプロセッサシステム１４８に提供される。マイクロプロセッサシステム１４８で実行されるソフトウエアは、コイル１２２の温度を判定し、それにより下式のコイル１２２の抵抗値を用いてプロセス流体１８４の温度を推測するように構成されうる。

数４
TCoils＝［コイル抵抗］＊［コイル抵抗温度ゲイン］＋［コイル抵抗温度オフセット］
同様に、下式を用いて温度を判定するためにインダクタンスを用いることができる。

数５
TCoils＝［コイルインダクタンス］＊［コイルインダクタンス温度ゲイン］＋［コイルインダクタンス温度オフセット］

コイル抵抗インダクタンスのための温度ゲインおよびオフセットは、２つの異なる温度点でコイル抵抗インダクタンスを測定し、その後ゲインおよびオフセットを算出することにより、工場でトリムすることができる。コイル抵抗インダクタンスはコイル温度と直線関係があるため、コイル抵抗インダクタンスに基づいてコイル温度を算出することができる。

コイル１２２のインダクタンスに基づいて温度を判定することは、抵抗値に基づいて温度を判定することよりも好ましい。その理由は、温度変動または端子の腐食に起因する外部配線の抵抗値の変化に対し、コイルインダクタンスは無関係であるためである。遠隔の配置構成では１０００フィートに至るほどのケーブルが必要になる。コイルインダクタンスにより、短いコイル配線を用いる工場でトランスミッター温度の読み取り値の調整が可能であり、フィールドで長い配線を用いる場合でもコイルインダクタンスはその設置の影響をほとんど受けない。１８ＡＷＧの１０００フィートの配線は、１０００フィートにわたって〜６．５ohmの抵抗を有する。このことは、その設置の影響を解消するための何らかの機能を必要とする。コイルインダクタンスによる測定法を用いれば、その必要がなくなるであろう。

マイクロプロセッサシステム１４８によってプロセス流体の温度が判定された時点で、式２に従って質量流速を判定する場合に、この温度情報を密度変化の補正のために用いることができる。

たとえば製造限界またはプロセス温度限界の最大値もしくは最小値などのように温度がある限界を超えた場合に、温度情報を用いてマイクロプロセッサシステム１４８が出力を与えることもできる。そのような警報を通信バス１０６を通じて送信することができる。他の実施例の構成においては、プロセス流体の圧力が質量流速の計算に用いられる。そのような構成においては、圧力情報を他のプロセス機器から通信バス１０６を通じて受け取ることができる。プロセス温度を測定するために、追加の温度センサーを流管１０８に近接して、たとえば電極１２４の近傍に設置することもできる。前記追加の温度センサーを、より迅速な反応時間を与えるための診断またはより正確な測定の目的で用いることができる。

本発明を望ましい実施形態に関して説明してきたが、当業者は、形式および詳細において、本発明の精神および範囲から逸脱することなく変更を加えることができることを認識するであろう。

Claims (24)

1. プロセス流体の流れの流速を測定するための電磁流量計であって、
   そこを通る前記プロセス流体の流れを受けるように配置される流管と、
   駆動信号に応答して前記流管内に磁場を加えるように配置され、前記流管に隣接する磁気駆動コイルと、
   前記加えられた磁場および前記プロセス流体の流速に関連する、前記プロセス流体に係る電位を検知するように配置される、少なくとも１個の電極と、
   前記磁気駆動コイルの電気インダクタンスを含む電気的パラメータに基づいて前記磁気駆動コイルの温度を示す温度出力を与えるように構成される、前記磁気駆動コイルに接続する温度測定回路と、
   検知された前記電位および前記電気インダクタンスに基づいて質量流速出力を与えるように構成される、前記少なくとも１個の電極に接続する流速測定回路と、を含む電磁流量計。
2. 前記電気的パラメータが前記磁気駆動コイルの電気抵抗を含む、請求項１に記載の電磁流量計。
3. 前記流速測定回路が前記温度出力に基づいて前記プロセス流体の温度を推測するように構成される、請求項１に記載の電磁流量計。
4. 前記流速測定回路がさらに周囲温度に基づいて前記プロセス流体の温度を推測するように構成される、請求項３に記載の電磁流量計。
5. 前記流速測定回路がメモリーに記憶された調整係数に基づいて前記プロセス流体の温度を推測するように構成される、請求項１に記載の電磁流量計。
6. 前記温度出力が診断を実施するのに用いられるように構成される、請求項１に記載の電磁流量計。
7. 前記温度出力が、前記プロセス流体温度が限界外のときの確認に用いられる、請求項６に記載の電磁流量計。
8. 前記温度出力が限界を超えた前記流管の温度を確認するために用いられる、請求項６に記載の電磁流量計。
9. 前記流速測定回路が熱抵抗値に基づいて前記プロセス流体の温度を判定する、請求項１に記載の電磁流量計。
10. 前記熱抵抗値が算出される、請求項９に記載の電磁流量計。
11. 前記熱抵抗値が実験的に測定される、請求項９に記載の電磁流量計。
12. 前記熱抵抗値がメモリーに記憶される、請求項９に記載の電磁流量計。
13. プロセス流体の流れの流速を測定する方法であって、
    流管を通して前記プロセス流体の流速を受け取るステップと、
    磁気駆動コイルを用いて前記流管中の前記プロセス流体の流れに磁場を加えるステップと、
    前記加えられた磁場および前記プロセス流体の流速に関連する、前記プロセス流体に係る電位を検知するステップと、
    前記磁気駆動コイルの温度に関連する、前記磁気駆動コイルの電気インダクタンスを含む電気的パラメータを検知するステップと、
    検知された前記プロセス流体の前記電位および前記電気的パラメータに基づいて前記流管を通して前記プロセス流体の質量流速を判定するステップと、を含む方法。
14. 前記電気的パラメータが前記磁気駆動コイルの電気抵抗を含む、請求項１３に記載の方法。
15. 温度出力に基づいて前記プロセス流体の温度を推測することを含む、請求項１３に記載の方法。
16. 周囲温度に基づいて前記プロセス流体の温度を推測することを含む、請求項１５に記載の方法。
17. メモリーに記憶された調整係数に基づいて前記プロセス流体の温度を推測する、請求項１３に記載の方法。
18. 前記電気的パラメータに基づいて診断を実施することを含む、請求項１３に記載の方法。
19. 前記温度出力が、前記プロセス流体温度が限界外のときの確認に用いられる、請求項１８に記載の方法。
20. 前記電気的パラメータに基づいて限界を超えた前記流管の温度を確認することを含む、請求項１８に記載の方法。
21. 熱抵抗値に基づいて、質量流速を判定する請求項１３に記載の方法。
22. 前記熱抵抗値が算出される、請求項２１に記載の方法。
23. 前記熱抵抗値が実験的に測定される、請求項２１に記載の方法。
24. 前記熱抵抗値がメモリーに記憶される、請求項２１に記載の方法。

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