JP5753280B2 - 差圧型流量測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、工業プロセス制御システム又は監視システムに関する。特に、本発明は、工業プロセスにおけるプロセス流体の流量を測定するシステムに関する。

多くの工業プロセスが種々のタイプの流体に使用または作動している。プロセスの作動中に、流体はある場所から他の場所へ、プロセスパイプを通って移送される。多くの場合には、プロセスパイプを通って移送されるそのような流体の流量を監視することが望まれる。この監視は、単独の装置に対して、または制御システム中で使用されることができる。例えば、バルブは測定されたプロセス流体の流量に基づいて制御されることができる。

プロセス変数送信機は、工業プロセスのプロセス変数を測定するのに使用される。そのようなプロセス変数の一つは、上述のプロセス流体の流量である。種々の技術がそのような流量を測定するのに用いられることができる。その一つの技術は、プロセスパイプ中に設置された制限要素の両側で生ずる差圧に基づいて流量を測定することである。差圧は、差圧送信機により測定され、プロセス流体の流量を計算するのに用いられることができる。流体中に設置される制限要素は、種々の圧力を発生し、このことは２００６年８月２９日の国際出願日を有するリチャードステブンによる「流量計測におけるまたは関する改良」という名称のＷＯ２００８／０２５９３５に開示されている。

国際公開公報 ＷＯ２００８／０２５９３５号公報

本発明は、プロセス流体の流量測定システムを診断することを目的とする。

工業プロセスにおけるプロセスパイプを通って移送されるプロセス流体の流量を測定するシステムは、プロセスパイプ中に流体制限要素を含む。第１の差圧送信機は、プロセス流体の流れに応動して該流体制限要素をはさんで生ずる第１の圧力降下を測定するように構成されている。第２の差圧送信機は、該流体制限要素をはさんで生ずるプロセス流体中の第２の差圧を測定するように構成されている。回路は、前記第１の差圧と第２の差圧とに基づいて診断を行う。

本発明によれば、２つの差圧から求まる圧力損失比（ＰＬＲ）で、簡単に診断することができる。

制限を有する流体チューブとそれによって生ずる圧力差の簡略化された概略図である。 図１Ａに示される構成における圧力対位置の関係を示すグラフである。 プロセスパイプに接続された２個の差圧送信機を示す図である。 図２の圧力送信機を示す簡略化されたブロック図である。

本発明は、プロセスパイプ中に設置された制限要素(restriction element)を横切って発生する差圧に基づいて、プロセスパイプを通って流れる流量の測定装置に関する。

以下に詳細に説明するように、制限要素は多くの差圧を発生する。その差圧の一つは、「従来の（traditional）」差圧（ΔＰ_ｔ）と呼ばれるものであり、制限要素を横切って（制限要素の両側で）直接測定される差圧である。回復圧力（ΔＰ_ｒ）は、制限要素の位置での最小圧力と最大下流圧力との間で創出される差圧である。永久圧力損失（permanent pressure loss）（ΔＰ_ＰＰＬ）は、制限要素の上流と、圧力が十分に回復する下流位置とから測定される差圧である。

従来の差圧型流量測定装置においては、差圧送信機が主要素（オリフィス板、調整オリフィス(conditioning orifice)、ベンチュリ又はＶコーン等）をはさんで取り付けられる。プロセス流体の流速は、従来の差圧（ΔＰ_ｔ）の平方根に比例する。さらに、温度と絶対圧力は、プロセス流体の密度を動的に計算するために測定される。計算された密度は、該プロセス流体密度の変化に基づいて質量流量測定値(mass flow measurements)を補償するのに用いられることができる。

種々の診断技術が差プロセス変数送信機において実践されてきた。差プロセス流量測定に関する多くの技術は、差圧送信機をプロセス流体に接続する「インパルス線」に関連する問題を確認するために、検出された圧力の統計的変動を監視することに基づいている。例えば、インパルス線の一つ（一本）または両方（二本）が詰まった場合には、差圧信号の標準偏差の変化が検知される。しかしながら、詰まったインパルス線の正確な検知は、流量又は流速、オリフィス板ベータ比、インパルス線に捕捉された気体の量等の他のファクターに依存することも多い。

２００６年８月２９日の国際出願日を有するリチャードステブンによる「流量計測におけるまたは関する改良」という名称のＷＯ２００８／０２５９３５、及び２００８年１０月２１−２４日の第２６回国際北海測定学会(the 26th International North Sea Measurement Workshop)で提出された、包括差圧流量メータのための診断手法で説明されているように、「主要素」は流れているプロセス流体中にいくつかの差圧を生成する。有用な装置は、３個のユニークな差圧測定、つまり従来の圧力低下（ΔＰ_ｔ）、回復圧力（ΔＰ_ｒ）および永久圧力損失（ΔＰ_ＰＰＬ）を含んでいる。図１Ａおよび１Ｂは、プロセスパイプの断面図に示されている主要素に起因してフローポスト（flow post）によって創出される３つの差圧（図１Ａ）と、プロセスパイプに沿う圧力対位置のグラフ（図１Ｂ）を示す。主要素はベンチュリ管であるとして示されているが、ここで説明される方法はいかなる主要素にも適用されることができる。

図１Ｂにグラフで示されているように、差圧のいずれか２つが既知であると、第３番目の差圧は、次の関係式で計算されることができる。

ΔＰ_ｔ＝ΔＰ_ｒ＋ΔＰ_ＰＰＬ 式１

流体の質量流量は、これらの３つのＤＰ測定値のうちのいずれか１つを用いて、以下のように計算されることができる。

ここに、
Ｅ＝入口の流入速度

Ａ_ｔ＝喉部の断面積
Ａ_ｉ＝パイプの断面積
Ｋ＝従来の流量計係数
Ｋ_ｒ＝拡大流量係数
Ｋ_ＰＰＬ＝ＰＰＬ流量係数
ρ＝流体密度

ΔＰ_ｔ、ΔＰ_ＰＰＬ及びΔＰ_ｒは、プロセス流体の流量を正確に測定するのに用いられることができる。正常な動作中には、これらの差圧測定値の各々から計算される質量流量は不確実な測定中でも、おおよそ等しくなることが知られている。しかしながら、プロセスに何か異常があると、３つの質量流量の読みは互いから大きく異なることになるであろう。３つの質量流量の計算値をモニタすることにより、そのような差が定義された閾値以内であるかどうかを識別されることができ、システム中にいかなるタイプの問題あるいは故障が起きているかを示す診断に用いられることができることが知られている。そのような差は、詰まった圧力ポート、不正確な差圧送信機の読み、曲がった又は擦り減ったオリフィス板、あるいは主要素の部分的な遮断（blocking）を検知するのに用いられることができる。そのような診断は、正確な故障原因を決定することはできない。

図２は、プロセスパイプ１０６を通って流れるプロセス流体１０４の流量を測定するためのシステム１０２を含む工業プロセス１００の簡略化された図である。システム１００は、パイプ１０６中に設置されたプロセス流体１０４の流れを妨害するオリフィス板１１０を含む。第１の（又は従来の）差圧送信機１２０はインパルスパイプ１２２および１２４を経てパイプ１０６に結合している。第１の差圧送信機１２０は、上述のように、ΔＰｔを測定するように構成されている。第２の差圧送信機１３０は、永久圧力損失（ΔＰ_ＰＰＬ）を測定するために設置され、インパルスパイプ１２２及び１３２を経てプロセスパイプ１０６に結合している。図２に示される実施形態では、送信機１２０及び１３０は、ローカルデータバス１４０を通って通信し、２線プロセス制御ループ１４４を経て制御室１４２に結合している。該２線プロセス制御ループ１４４は、情報を運ぶと共に、送信機１３０及び／又は１２０に電力を供給するように構成されることができる。例えば、２線プロセス制御ループは、ＨＡＲＴ（登録商標）通信プロトコル又はフィールドバスプロトコルのような他のプロトコルに従って動作するプロセス制御ループを含む。そのような構成では、制御室１４２は、電源１５０と電気抵抗１５２としてモデル化されることができる。プロセス制御ループの他のタイプは、データがフィールド装置間及び／又はフィールド装置と制御室１４２のような中央位置との間に無線で共有される無線通信ループを含む。そのような構成では、送信機１２０又は１３０のどちらも、制御ループ１４４に接続されない。他の構成では、送信機１２０及び１２２の一方又は両方が有線又は無線接続のいずれか一方を介して制御ループ１４４に接続される。ローカルデータ接続１４０は、それ自身にプロセス制御ループを含むことができる。または、制御エリアネットワーク（ＣＡＮ）データバス、デジタル通信型データバスのようなデータ通信接続の他のタイプ、または他の技術を含むことができ、有線又は無線接続であることができる。

図３は、差圧送信機１２０及び１３０を示す簡略化されたブロック図である。図３に示されているように、差圧送信機１２０は、インパルスパイプ１２２を通って（図１Ａ参照）圧力Ｐ_１に接続し、インパルスパイプ１２４を通って圧力Ｐ_ｔに接続している。差圧センサ２００は、インパルスパイプ１２２と１２４に接続し、圧力差Ｐ_１とＰ_ｔに関連する入力を測定回路２０２に提供するように構成されている。圧力センサ２００は、適当な感知技術に従っていればよく、１以上の圧力センサにより形成されることができる。測定回路２０２は、測定された差圧（ΔＰ_ｔ）を示す出力をマイクロプロセッサ（又はマイクロコントローラ）２０４に提供する。マイクロプロセッサ２０４は、メモリ２０６に蓄積された命令に従って動作し、ローカル入力／出力回路２１０に結合している。上述のように、ローカルＩ／Ｏ回路２１０は、いかなる技術に従っていてもよく、第２の差圧送信機１３０と通信するように構成されている。この通信は、ローカルデータバス１４０を経て伝達される。第２の差圧送信機１３０は、大体同じ部品を含むように図示されている。差圧センサ２３０は、Ｐ_１とＰ_ｄ間の差圧（図１Ａ参照）を測定するために、インパルスパイプ１２２及び１３２に接続している。差圧センサ２３０は、マイクロプロセッサ（又はマイクロコントローラ）２３４に差圧出力を提供する測定回路２３２に接続されている。マイクロプロセッサ２３４は、メモリ２３８に蓄積されている命令に従って動作し、ローカル入力／出力回路２４０を用いて第１のプロセス差圧変数送信機１２０と通信する。さらに、第２の変数送信機１３０は、プロセス制御ループ１４４を経て通信するのに使用するために、ループ入力／出力回路２４１を含む。この通信は、プロセス制御室１４２あるいは他のフィールドデバイスとなされることができ、有線又は無線であることができる。

図２及び図３に示される構成は、単に説明を目的とする図に過ぎない。例えば、２つの差圧送信機は、他の手段又は構成を用いて通信することができる。通信は、制御室１４２のような中央室に対してのみであってもよいし、他のフィールドデバイス間であってもよい。この通信は有線でも無線でもよく、またはいかなる組み合わせであってもよい。完全な無線の組み合わせでは、ローカル接続１４０は、メッシュネットワークのような無線通信プロトコルを用いて形成することができる。同様に、通信リンク１４０は、有線プロセス制御ループを含むことができる。

主要素の位置における上述のような３つの差圧測定値（ΔＰ_ｔ，ΔＰ_ｒおよびΔＰ_ＰＰＬ）が用いられた。これは、３つの差質量流量計算

のために用いられることができる。しかしながら、差圧測定値には次の式の関係があるので、

ΔＰ_ｔ＝ΔＰ_ｒ＋ΔＰ_ＰＰＬ 式５

２つの測定値のみが要求され、第３の差圧は計算で求められ、診断をするのに用いられることができる。従来技術で説明されたように、入口圧力かそれとも喉部圧力が低いと、差質量流量計算値はもはや等しくなく、次の関係になるであろう。

しかしながら、本発明では、

のような２つの質量流量計算のみが同じ問題を診断するために要求又は必要とされる。第３の質量流量計算は、要求又は必要とされない。同様の診断は、差圧測定値のドリフト、損傷されたオリフィス板、部分的に閉塞された主要素等を含む他の故障を検知するために行われることができる。

該診断は、他の差圧送信機１２０かそれとも１３０の何れかの内部、又は離れているフィールドデバイス、又は制御室１４２のような中央の位置で、局所的に行われることができる。そのような構成において、圧力測定値は、診断が行われる他のプロセス装置へ提供されなければならない。

従来技術で説明したように、圧力損失比（ＰＬＲ）は、診断を提供するために、定義されかつ用いられることができる。該ＰＬＲは、次の式で表される。

次の定数を定義することによって、

α_ｔ＝Ｅ^２Ａ_ｔ ^２Ｋ^２ 式８

α_ＰＰＬ＝Ａ_ｉ ^２Ｋ_ＰＰＬ ^２ 式９

２つの質量流量式は、放物線形式(parabolic form)で次のように書き直すことができる。

正常な流体状態の間は、

である。このため、ＰＬＲは次のように書くことができる。

これは、例えば、流体システム中に問題が存在し、

と仮定した場合に、該システム中の問題を診断するのに用いられることができる。これは、次の式を生ずる。

α_ｔ・ΔＰ_ｔ＞α_ＰＰＬ・ΔＰ_ＰＰＬ 式１４

である時、該ＰＬＲ値がＰＬＲ_１と定義されている場合には、これは次の式を生ずる。

このように、

となるような質量流量の読みの変化が、圧力損失比（ＰＬＲ）の減少により検出されることができるのは明らかである。

同様に流体システム中に、

となるような問題がある場合には、これは次の式を生ずる。

このＰＬＲ値がＰＬＲ_２と定義されている場合には、次の関係を見ることができる。

ＰＬＲ_２＞ＰＬＲ_０ 式１８

このように、

のような質量流量の読みの変化は、計算された圧力損失比の増加により検出されることができる。

本発明によると、流体システム中の種々の問題を検知するために、同一の主要素からの２つの差圧測定値を使用することが可能である。質量流量の計算は必ずしも診断のためだけではない。本発明では、圧力損失比は計算され、長い時間をかけてモニタされることができる。圧力損失比の時間の経過に対する変動（傾向）はモニタされ、故障したまたは故障しつつある部品を識別するために使用される。正常動作の間は、圧力損失比はほぼ一定に止まる。しかしながら、システムに問題があると、圧力損失比は増加または減少する傾向がある。これは診断するのに利用されることができ、完全な質量流量計算をすることを必要とされないという利点がある。そのような質量流量計算は、ＫとＫ_ＰＰＬのような流体係数を識別するための校正を必要とする。

送信機１２０又は１３０のようなフィールドデバイスが圧力損失比を用意している場合には、流体システムの問題を診断するために、この値をモニタする異なる方法がいくつかある。例えば、ＰＬＲ値は、有線又は無線接続のいずれか一方を介して、ＨＡＲＴ（登録商標）デジタル通信プロトコルのようなデジタル通信を用いて入手されることができる。該ＰＬＲ値は、また送信機によって直接に求められることができる。該ＰＬＲ値はモニタされ、デジタル送信、無線通信技術、アダプター、ゲートウェイ等の適当な技術を用いて、いかなる傾向も観察されることができる。傾向値は、正常に動作している間に観察でき、高い及び／又は低い閾値の警報限界を創出するのに用いられることができる。ＰＬＲがこれらの限界を超えると、警報がオペレータや他の設備に提供される。他の例では、マイクロプロセッサ又は他の装置が、正常な動作中に、ＰＬＲ値を"学習"することができる。これは、特定の送信機では内部で、または外部の装置によりなされることができる。学習モードにあるときには、フィールドデバイスは圧力損失比に対するベースライン値を識別することができる。学習プロセス中に、閾値は、自動的にまたはユーザ設定により決定されることができる。例えば、学習フェーズ中のＰＬＲ値の標準偏差の３倍の値が警報閾値として設定されることができる。一度、ベースラインＰＬＲと閾値が確立されると、送信機又は他の装置は通常のモニタモードに入ることができる。ＰＬＲが閾値の一つの外側に行った場合には、警報がトリガされ、ホストシステム又は他の装置に提供される。

他のフィールドデバイス又は中央位置に送られる情報は、直接測定された値のいずれかであることができ、又は計算された値であってもよい。例えば、送信機１２０および１３０からの個々の圧力測定値は、

のような計算値と共に提供され、圧力損失比は警告警報と共に提供されることができる。

第１の圧力送信機が差圧情報を第２の差圧送信機に提供することができるように、ローカルのデータリンクが第１と第２の差圧送信機間のデータ通信を提供するのに用いられることができる。これは、いかなる通信技術に従っても実現することができる。一つの特別な例では、ローカルデータバスはＣＡＮ（Control Area Network）であることができる。

本発明は、他のタイプのフィールドデバイスを用いて、およびここで述べた特定のもの以外の通信プロトコルを用いて実現することができる。例えば、本発明の装置は、ファウンデーション フィールドバス(Foundation Fieldbus)通信プロトコルを用いて実施されることができる。そのような装置では、ΔＰ_ｔ及びΔＰ_ＰＰＬ送信機の両方は、同じフィールドバス通信セグメント上に設置されることができる。一つの送信機は測定値を他の送信機、例えばＡＩブロック、ＡＯブロック及びリンクから受け取るように構成することができる。追加の情報を用いて、圧力損失比は計算されることができる。該計算されたＰＬＲは、それから、ホストシステムへ伝送されたり、プロセスの正常な動作中の学習モード等において、フィールドデバイスにより内部で用いられることができる。ＰＬＲが閾値を超えたと装置が検知した場合には、フィールドデバイスの警報はホストシステムへ提供されることができる。他の通信プロトコルもまた使用することができる。無線やメッシュネットワーク型の装置においては、ある送信機は圧力損失比を計算するために、他の送信機からの送信をモニタするように構成してもよい。

本発明は好ましい実施例を参照して説明されたが、当業者は、本発明の精神と範囲から逸脱することなしに形態および細部を変更できることを認識するであろう。

１００・・・工業プロセス、１０２・・・システム、１０４・・・プロセス流体、１１０・・・オリフィス板、１２０，１３０・・・第１、第２の差圧送信機１２２，１２４，１３２・・・インパルスパイプ、１４０・・・ローカルデータバス、１４４・・・２線プロセス制御ループ、１４２・・・制御室（中央位置）。

Claims (13)

1. 工業プロセスのプロセスパイプ中に設置された流体制限要素を通り過ぎるプロセス流体の流量を測定するシステムであって、
   前記流体制限要素を通り過ぎるプロセス流体の流量に起因して生ずる該プロセス流体中の第１の差圧を測定するように構成された第１の差圧送信機と、
   前記流体制限要素を通り過ぎるプロセス流体の流量に起因して生ずる該プロセス流体中の第２の差圧を測定するように構成された第２の差圧送信機と、
   前記第１の差圧送信機と第２の差圧送信機との間に設けられたデータリンクと、
   前記測定された第１及び第２の差圧から演算される圧力損失比の変動の傾向に基づいて診断を行うように構成された回路とを具備するシステム。
2. 前記第１の差圧が、従来の差圧ΔＰ_ｔ、回復圧力ΔＰ_ｒ、及び永久圧力損失ΔＰ_ＰＰＬからなる差圧群から選択されたものからなり、前記第２の差圧が前記永久圧力損失ΔＰ_ＰＰＬからなる請求項１に記載のシステム。
3. 前記第１の差圧送信機と第２の差圧送信機との間のデータリンクが、有線通信と無線通信のうちの少なくとも一方で構成されている請求項１に記載のシステム。
4. 前記回路が前記第１の差圧送信機の中に設置されている請求項１に記載のシステム。
5. 前記第１及び第２の差圧送信機のうちの少なくとも一つが中央位置(central location)と通信するように構成されている請求項１に記載のシステム。
6. 前記回路が前記中央位置に設置される請求項５に記載のシステム。
7. 前記通信がプロセス制御ループ上で提供され、該プロセス制御ループが有線プロセス制御ループ及び無線プロセス制御ループの中の少なくとも一つからなり、前記第１及び第２の差圧送信機は無線通信リンク上で通信されるように構成されている請求項５に記載のシステム。
8. 前記回路は、学習モードで動作するように構成されている請求項１に記載のシステム。
9. 前記第１の差圧送信機は、さらに、プロセス流体の流量を計算するように構成され、該流量をプロセス制御ループを経て前記中央位置に通信する、請求項１に記載のシステム。
10. 工業プロセスのプロセスパイプ中に設置された流体制限要素を通り過ぎて流れるプロセス流体の流量を測定するように構成された流体測定システム中で診断する方法であって、
    第１及び第２のインパルスパイプを通るプロセスパイプに結合されている第１の差圧送信機を用いて前記流体制限要素の両側の第１の差圧を測定することと、
    前記第１のインパルスパイプ及び第３のインパルスパイプを通るプロセスパイプに結合されている第２の差圧送信機を用いて前記流体制限要素の両側の第２の差圧を測定することと、
    前記第１の差圧送信機と第２の差圧送信機との間のデータリンク上で通信することと、
    前記測定された第１の差圧と前記測定された第２の差圧とから計算される圧力損失比を用いて、前記圧力損失比の変動の傾向を観察し、前記流体測定システムの動作を診断することとからなる方法。
11. 前記第１及び第２の差圧が、従来の差圧ΔＰ_ｔ、回復圧力ΔＰ_ｒ、及び永久圧力損失ΔＰ_ＰＰＬからなる差圧のグループから選択される請求項１０に記載の方法。
12. 前記第１及び第２の差圧送信機との間のデータリンク上で通信することが、有線通信及び無線通信の中の少なくとも一つによって行われる請求項１０に記載の方法。
13. 前記圧力損失比が閾値をもつ請求項１０に記載の方法。