JP6161813B2 - 磁気流量計 - 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を感知するタイプの流量計に関する。より具体的には、本発明は、磁気流量計を使用する流量の測定に関する。

磁気流量計は、当該技術分野で知られており、代表的なものでは、電気的に絶縁された流管を使用し、プロセス流体が、この流管を流通し、電磁コイルを通過し、また、一対の電極を通過する。電磁コイルは、流通するプロセス流体に電磁界を加える。電磁誘導に関するファラデーの法則により、電圧、つまり電磁力(EMF)が、流体中の一対の電極の間に生成される。この電圧は、加えられた磁界の強さの関数であり、また、流れの流速に比例する。

磁界は、電荷の動きによって生成される。磁界は、しばしば、電流と磁性材料の磁気的影響の数学的記述を用いて表される。与えられた点における磁界は、方向と大きさ(強度)を持つベクトルによって規定される。そのベクトルの方向は、コイルを通過して流れる電流の方向によって決定される。磁界の強度および密度は、電流の大きさと、コイルの領域と形状に依存する。特に、トータルの磁界強度は、導線の長さとともに増大する。例えば、電流を流す線がループに形成されると、磁界は、ループの内側に集中する。その線が複数のループに曲げられてコイルが形成されると、磁界は、さらに集中する。

プロセス流体の流速を測定する磁気流量計は、プロセス流体に磁界を加えるように配置された磁気コイルを含む。一対の電極が、プロセス流体に電気的に結合され、加えられた磁界とプロセス流体の流速に関連してプロセス流体中に誘導される電圧を感知するように配置される。非導電性材料の流管が、プロセス流体の流れを受け入れて流通させるように配置される。この流管は、前記磁気コイルおよび前記一対の電極を保持する。流量計回路が、前記磁気コイルに電流を加え、また、前記一対の電極によって感知された電圧を受け取る。磁界スプレッダが、前記磁気コイルに近接する位置で、前記磁気コイルから発せられた磁界を広げて前記流管の中に指向させるように配置される。管外側ハウジングが、アッセンブリの周囲に延びて磁気回路を完成させる。

磁気流量計を含むプロセス制御システムを示す図である。 従来の磁気流管アッセンブリの部分断面図である。 磁気流量計の電気的要素を示している簡略ブロック図である。 本発明の一例の実施形態に従う磁気流管アッセンブリの正面断面図である。 図４Ａの磁気流管アッセンブリの第一の断面斜視図である。 図４Ａの磁気流管アッセンブリの第二の断面斜視図である。 図４Ａの磁気流管アッセンブリの斜視分解図である。

本発明は、流管を流通するプロセス流体の流れを測定する磁気流量計に向けられる。一例の実施形態では、磁気流量計は、流量計のコイルに近接して配置された磁界スプレッダ(magnetic field spreader：磁界拡散器)を含む。磁界スプレッダは、磁界が、要求されるように、流管を横切るプロフィルを有するように配置される。例えば、磁界スプレッダは、磁界が、流管の幅を横切って、より均等に分布するように形成される。他のプロフィルが、要求されるように、形成されてもよい。他の例、観点では、本発明は、流管の外周の周囲の磁気ラッパ(magnetic wrapper：磁気囲い)を使用して磁気回路を提供することを含む。

図１は、磁気流量計１０２のための代表的な環境１００を例示している。磁気流量計１０２は、制御弁１１２に結合されたプロセス配管１０４に結合されて示されている。磁気流量計１０２の一例は、あるタイプのプロセス変数送信機であり、このプロセス変数送信機は、化学製品、パルプ、石油、ガス、薬品、食品および他の流体プロセスプラントにおけるスラリおよび液体のような、プロセスプラントにおける流体に関連する一以上のプロセス変数を監視するように構成される。

磁気流量計において、監視されるプロセス変数は、プロセス配管および流管１０８を流通するプロセス流体の速度に関連する。磁気流量計１０２は、典型的には、流管１０８に結合される電子装置ハウジング１２０を含む。磁気流量計１０２の出力は、通信バス１０６を経由して制御装置または指示装置に至るまでの長距離に渡る伝送用に構成される。典型的な処理プラントでは、通信バス１０６は、システム制御装置／監視装置１１０のような制御装置あるいは他の適当な装置への、４−２０ｍAプロセス制御電流ループのような二線式プロセス制御ループ、ファウンデーション(ＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ「登録商標」)フィールドバス結合、パルス出力／周波数出力、高速アドレス可能遠隔変換器(ＨＡＲＴ「登録商標」)プロトコル通信、あるいは他の結合である。さらに、Ｗｉ−ＦｉあるいはＩＥＣ６２５９１基準に従う無線HART(登録商標)のような他のものを含む無線通信技術が、要求されるように、用いられてもよい。システム制御装置１１０は、プロセス監視装置としてプログラムされて、人的オペレータのための流れ情報を提供し、またはプロセス制御装置としてプログラムされて、通信バス１０６を通して制御弁１１２によりプロセスを制御する。

図２は、磁気流量計１０２とともに使用することができる、従来の磁気流管アッセンブリ１０９の透視断面図である。流管アッセンブリ１０９は、鞍型に形成されて、流管アッセンブリ１０９を流通して流れる流体中に磁界を誘導するために使用される電磁コイル１２２を含む。流管アッセンブリ１０９中の電極１２４は、流れの速さと加えられた磁界によって流体中に生成されたEMF(電磁力)を感知するために使用される。

図３は、流管アッセンブリ１０８を流通する導電性プロセス流体の流れを測定するための、磁気流量計の種々の電気的要素を示している実施形態のシステムブロック図である。コイル１２２は、コイルドライバ１３０から加えられる駆動電流に応答して、流体の流れ中に外部磁界を加えるように構成される。コイルドライバ回路１３０は、電磁コイル１２２に駆動電流を提供する。ＥＭＦセンサ(電極)１２４は、流体の流れに電気的に結合して、加えられた磁界および流体速度によって流体の流れ中に生成されたＥＭＦに関連するＥＭＦ信号出力１３４を増幅器１３２に供給する。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に供給する。信号処理器１５０は、流量計電子装置１４０のマイクロプロセッサシステム１４８内に設けられ、ＥＭＦ出力１３４に結合して流体の速度に関連する出力１５２を提供する。メモリ１７８は、プログラム命令または、後述するように、他の情報を格納するために使用される。

マイクロプロセッサシステム１４８は、ファラデーの法則で述べられるように、ＥＭＦ出力１３４と流体の速度との間の関係に従って、流管１０８を流通する速度を計算する。ファラデーの法則は、式１で示される。

ここで、Eは、ＥＭＦ出力１３４、Ｖは、流体の速度、Ｄは、流管１０８の直径である。Ｂは、流管コイル１２２によって加えられる流体中の磁界の強度、そして、ｋは、比例定数である。デジタル・アナログ変換器１５８を、マイクロプロセッサシステム１４８に含め、あるいはマイクロプロセッサシステム１４８に結合して、送信機出力１６０を生成することは任意であり、要求されるならば、通信バス１０６に結合することができる。デジタル通信回路１６２がデジタル送信機出力１６４を生成することは任意である。アナログ出力１６０およびデジタル出力１６４を、要求されるように、プロセス制御器または監視装置に接続することができる。

図４Ａ、４Ｂ、４Ｃおよび４Ｄは、本発明の一例の実施形態に従う磁気流管１０８の種々の図を示す。磁気流管１０８は、図１および図３に図示されるように、磁気流量計１０２に結合される。図４Ａは、本発明の一例の実施形態に従う流管アッセンブリ１０８の断面図、図４Ｂは、第１の透視断面図、図４Ｃは、第２の透視断面図、図４Ｄは、分解図である。

図４Ａを参照すると、電磁コイル１２２は、矢印２００によって図示される磁束を生成する。磁気流管アッセンブリ１０８は、非導電性材料によって形成された内部面を少なくとも有する。プロセス流体は、図４Ａで図示された断面に直角な方向に、内部流管２０１を流通する。磁束２００は、磁気流管アッセンブリ１０８の内部部分２０２を通って伸び、それにより、磁束２００は、流管アッセンブリ１０８流通するプロセス流体を通過する。磁束の線２００は、磁気回路を形成し、生成された磁束の流れは、この磁気回路の中で、コイル１２２Ｂからコイル１２２Ａへと流れる。図４Ａでは、流管から磁束を受け入れる磁気コイルは、１２２Ａで示され、磁束を流管アッセンブリに入れる磁気コイルは、１２２Ｂで示されている。磁束の線２００の方向は、動作中、周期的に反転されることもある。磁気回路は、電磁コイル１２２Ａおよび１２２Ｂに近接する流管アッセンブリの外周に近接してそれぞれ配置された磁気ラッパ２０６Ａおよび２０６Ｂによって形成される。ラッパ２０６Ａ、２０６Ｂは、流管アッセンブリ１０８の管外側ハウジングとなる。いくつかの従来技術の形態では、磁気ラッパとは別の管外部ハウジングを使用している。磁界スプレッダ２０８Ａおよび２０８Ｂがそれぞれ、電磁コイル１２２Ａおよび１２２Ｂに近接する磁気流管の内周に近接して配置される。図４Ａで示されている、ラッパ２０６Ａ，２０６Ｂおよびスプレッダ２０８Ａ，２０８Ｂに沿って延びる矢印２００は、流管アッセンブリ１０８内の、磁気回路に沿う磁束の方向を示している。図４Ｂ、４Ｃおよび４Ｄでは、同様の要素が異なる視点で図示されている。また、分解図４Ｄでは、追加の要素が図示されている。図４Ｄでは、流管アッセンブリ１０８の両端にフランジ２２０が図示されており、これは、図１に示されたプロセス配管１０４のようなプロセス配管に流管アッセンブリ１０８を結合するために使用される。電磁コイル１２２Ａおよび１２２Ｂはそれぞれ、コイルスプール２２２Ａ，２２２Ｂ、コイル線２２４Ａ，２２４Ｂ、およびコイル芯２２６Ａ，２２６Ｂから形成される。磁気金属片２３０Ａおよび２３０Ｂはそれぞれ、ラッパ２０６Ａ，２０６Ｂと磁気スプレッダ２０８Ａ，２０８Ｂの間にコイル１２２Ａおよび１２２Ｂを保持する。磁気金属片２３０Ａ，２３０Ｂはそれぞれ、磁気回路を形成し、コイル１２２Ａ，１２２Ｂをラッパ２０６Ａ，２０６Ｂに磁気的に結合する。

本発明の一例の実施形態では、磁気スプレッダ２０８Ａ，２０８Ｂは、流管アッセンブリ１０８の内部部分２０２を通って延びる磁束２００を、内部部分２０２の断面を横切って、より均等に分配する。図４Ａに図示されるように、磁気スプレッダ２０８Ａ、２０８Ｂは、電磁コイル１２２Ａ，１２２Ｂの縁を超えて、磁束を半径方向に広げる。このようにして、内部部分２０２の中の磁界２００が形成され、それによって、加えられた磁界２００に対するプロセス流体の露出が、流管アッセンブリ１０８の軸に垂直方向でのプロセス流体のプロフィルを横切って、より均一に分布するようになる。図示された構成では、スプレッダ２０８Ａ，２０８Ｂは、流管アッセンブリ１０８を横切る磁界２００を半径方向に広げる。流管アッセンブリ１０８内の磁界のプロフィルは、要求されるように、形成することができる。例えば、スプレッダ２０８Ａ，２０８Ｂの形状および／または材料を変えることによって、形成される磁界２００は、そのプロフィルを横切る強度が変化する。一例の構成では、流管アッセンブリ１０８の中央部の領域を、より大量のプロセス流体が流れるので、その領域でのプロフィルの強度を増大させることができる。他の例では、スプレッダ２０８Ａ，２０８Ｂは、流管アッセンブリ１０８の内部壁に近接する磁界の強度を増大させるように形成される。

流管アッセンブリの種々の構成要素は、要求されるように、製作することができる。例えば、ラッパ２０６Ａ，２０６Ｂ、磁性金属片２３０Ａ，２３０Ｂを、磁気スプレッダ２０８Ａ，２０８Ｂと同様に、磁性材料で構成して、磁気回路形成に利用することができる。これらの構成要素は、磁性材料の単一片として製作されてもよいし、積層板のように、複数片で形成されてもよい。

図示された構成では、磁気ラッパ２０６Ａ，２０６Ｂは、流管アッセンブリ１０８の外周の周囲で完全に閉じた磁気回路を形成する。これにより、加えられた磁界２００の強度における損失が低減する。磁気スプレッダ２０８Ａ，２０８Ｂは、互いの間に空間を形成し、これにより、磁界２００が、要求されるプロフィルを有して、この間隙を渡るようにすることができる。しかしながら、他の構成が、要求されるように、採用されてもよい。

本発明は、好ましい実施形態を参照して記述されたが、当業者には、本発明の精神および見地から逸脱することなく、形状および詳細を変更してもよいことが認識されるであろう。種々の構成要素が、典型的な形状と構成によって図示されたが、本発明は、その形状と構成に限定されない。ラッパ、スプレッダおよびコイルは、要求されるように、変えられてもよい。これらの構成要素には、どのような適当な材料が使用されてもよい。同様に、流管アッセンブリは、他の構成でもよい。流量計回路は、要求されるように動作し、ここで示された特定の電気的構成に限定されない。同様に、いくつかの形態において、本発明の流量計は、プロセス制御ループを必要とすることなく使用されてもよい。加えられる磁界は、静磁界であっても、時間とともに変化する磁界であってもよい。いくつかの形態では、加えられる磁界は、極性が交番し、かつ方向が反転する。ここで使用されたように、「流管」という用語は、磁気流管アッセンブリに向けられたものとして解釈される。ここでは、二つの磁気ラッパが示されているが、どの構成の磁気ラッパにより完全な磁気回路が提供されてもよい。同様に、どのような数の磁気スプレッダが、要求されるように、使用されてもよい。いくつかの形態では、どのような数の磁気コイルおよび／または電極でも使用されることもある。ここで使用されたように、「外部の」は、外部環境に直接的にさらされる片または構成要素に向けられたものとして解釈される。

１００・・・磁気流量計のための代表的な環境、１０２・・・磁気流量計、１０４・・・プロセス配管、１０６・・・通信バス、１０８・・・流管、１０９・・・磁気流管アッセンブリ、１１０・・・システム制御装置/監視装置、１１２・・・制御弁、１２０・・・電子装置ハウジング、１２２，１２２Ａ，１２２Ｂ・・・電磁コイル、１２４・・・電極(EMFセンサ)、１３０・・・コイルドライバ回路、１３２・・・増幅器、１３４・・・EMF信号出力、１４０・・・流量計電子装置、１４２・・・アナログ・デジタル変換器、１４８・・・マイクロプロセッサシステム、１５０・・・信号処理器、１５２・・・流体の速度に関連する出力、１５８・・・デジタル・アナログ変換器、１７８・・・メモリ、１６０・・・アナログ送信機出力、１６２・・・デジタル通信回路、１６４・・・デジタル送信機出力、２００・・・磁束、２０１・・・内部流管、２０２・・・磁気流管アッセンブリの内部部分、２０６Ａ，２０６Ｂ・・・磁気ラッパ、２０８Ａ，２０８Ｂ・・・磁界スプレッダ、２２０・・・フランジ、２２２Ａ，２２２Ｂ・・・コイルスプール、２２４Ａ，２２４Ｂ・・・コイル線、２２６Ａ，２２６Ｂ・・・コイル芯、２３０Ａ，２３０Ｂ・・・磁気金属片

Claims (19)

1. プロセス流体の流速を測定する磁気流量計において、
   プロセス流体の流れを受け入れて流通させるように配置された流管と、
   前記流管に近接して配置され、前記流管を流通するプロセス流体に磁界を加える第１の磁気コイルと、
   前記流管の中でプロセス流体に電気的に結合され、加えられた磁界およびプロセス流体の流速に関連してプロセス流体中に誘導された電圧を感知するように配置された一対の電極と、
   前記第１の磁気コイルに電流を加え、前記一対の電極によって感知された電圧を受け取るように構成された流量計回路と、
   前記第１の磁気コイルに近接して配置され、前記第１の磁気コイルからの磁界を広げて前記流管の中に指向させるように配置された第１の磁界スプレッダと、
   前記流管の周囲に延びていて、前記第１の磁気コイルとともに磁気回路の一部分を構成する管外部ハウジングと、
   前記第１の磁気コイルを前記第１の磁界スプレッダと前記管外部ハウジングの間に保持し、前記第１の磁気コイルを前記管外部ハウジングに磁気的に結合するように構成された磁気金属片を備える磁気流量計。
2. 前記流管に近接して配置されて、前記第１の磁気コイルから加えられた磁界を受け入れる第２の電磁コイルを有し、前記管外部ハウジングは、第１および第２のコイルの間に延びている請求項１に記載の磁気流量計。
3. 前記第２の電磁コイルに近接して配置された第２の磁界スプレッダを有する請求項２に記載の磁気流量計。
4. 前記第１の磁界スプレッダは、前記流管の軸に垂直な前記流管の断面を横切って実質的に均一に分布するプロフィルで、前記磁界を前記流管の中に指向させる請求項１に記載の磁気流量計。
5. 前記第１の磁界スプレッダは、前記流管の軸に垂直な前記流管の断面を横切って変化する強度で、前記磁界を前記流管の中に指向させる請求項１に記載の磁気流量計。
6. 前記管外部ハウジングは、前記流管の外側の周囲に延びている磁気ラッパからなり、前記第１の電磁コイル磁気的に結合している請求項１に記載の磁気流量計。
7. 前記磁気ラッパは、積層板である請求項６に記載の磁気流量計。
8. 前記第１の磁界スプレッダは、積層板である請求項１に記載の磁気流量計。
9. 前記管外部ハウジングは、２つの半円からなる請求項１に記載の磁気流量計。
10. 磁気流量計を用いてプロセス流体の流れを測定する方法において、
    流管を流通するプロセス流体の流れを受け入れること、
    前記流管に設けられた第１の磁気コイルを用いて、前記流管を流通するプロセス流体の流れに磁界を加えること、
    加えられた磁界および前記流管を流通するプロセス流体の流速に関連してプロセス流体中に生成された電圧を感知すること、
    前記感知された電圧に基づいてプロセス流体の流速を決定すること、
    前記第１の磁気コイルに近接して配置された第１の磁界スプレッダを用いて、前記第１の磁気コイルから発せられた磁界を広げ、広げられた磁界を前記流管の中に指向させること、
    前記第１の磁気コイルに磁気的に結合された管外部ハウジングにより磁気回路を完成させること、からなり、
    前記第１の磁気コイルは、磁気金属片により、前記第１の磁界スプレッダと前記管外部ハウジングの間に保持され、また、前記磁気金属片を通して、前記管外部ハウジングに磁気的に結合される方法。
11. 前記第１の電磁コイルから加えられる磁界を受け入れるように配置された第２の電磁コイルを与えることを含む請求項１０に記載の方法。
12. 前記第２の電磁コイルに近接して配置された第２の磁界スプレッダを与えることを含む請求項１１に記載の方法。
13. 前記第１の磁界スプレッダは、前記流管の軸に垂直な前記流管の断面を横切って実質的に均一に分布するプロフィルで、前記磁界を前記流管の中に指向させる請求項１０に記載の方法。
14. 第１の磁界スプレッダは、前記流管の軸に垂直な前記流管の断面を横切って変化する強度で、前記磁界を前記流管の中に指向させる請求項１０に記載の方法。
15. 前記管外部ハウジングは、前記流管の外周の周囲に延びている磁気ラッパからなり、前記第１の電磁コイル磁気的に結合している請求項１０に記載の方法。
16. 前記磁気ラッパは、積層板である請求項１５に記載の方法。
17. 前記第１の磁界スプレッダは、積層板である請求項１０に記載の方法。
18. 前記管外部ハウジングは、２つの半円で形成されている請求項１０に記載の方法。
19. プロセス流体の流速を測定するための、磁気流量計とともに用いられる流管アッセンブリにおいて、
    プロセス流体の流れを受け入れて流通させるように配置された流管と、
    前記流管に近接して配置されて、前記流管を流通するプロセス流体に磁界を加える第１の磁気コイルと、
    前記流管内のプロセス流体に電気的に結合され、加えられた磁界およびプロセス流体の流速に関連してプロセス流体中に誘導された電圧を感知するように配置された一対の電極と、
    前記第１の磁気コイルに近接して配置され、前記第１の磁気コイルからの磁界を広げて前記流管の中に指向させるように配置された第１の磁界スプレッダと、
    前記流管の周囲に延びていて、前記第１の磁気コイルとともに磁気回路の一部分を形成する管外部ハウジングと、
    前記第１の磁気コイルを前記第１の磁界スプレッダと前記管外部ハウジングの間に保持し、前記第１の磁気コイルを前記管外部ハウジングに磁気的に結合するように構成された磁気金属片を備える流管アッセンブリ。