JP2000503123A - 平均圧力型ピトー管を備えた流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 流量（Ｑ）を測定するためのプロセス制御システムにおける伝送器（１０）は、プロセス管を介して流れるプロセス流体の全圧（Ｐ_TOT）および差圧（ｈ）を測定する。静圧（Ｐ_STAT）は、全圧（Ｐ_TOT）に基づいて決定される。計算された静圧（Ｐ_STAT）は、管（１２）内を流れるプロセス流体の密度（ρ）および気体膨張係数（Ｙ₁）を決定するために用いられる。これらの情報は、プロセス流体の流量（Ｑ）を計算するのに用いられる。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 平均圧力型ピトー管を備えた流量計 一次要素 発明の背景 本発明は、流体の流れの計測に関する。より詳細には、本発明は、平均ピトー 管型センサを使用してプロセス流体の流れを計測することに関する。 プロセス流体の流量を計測することは、産業プロセスを制御するために必要で ある。産業プロセスにおいては、流量（Ｑ）を測定するための伝送器が、プロセ ス制御システムの現場内の離れた場所に配置される。これらの伝送器は、流量情 報を制御室に送信する。流量情報は、プロセスの動作を制御するのに使用される 。ここで、プロセス流体とは、液体および気体流体の双方を意味する。 プロセス制御産業で流量を測定する一般的な手法の１つは、パイプ内に固定さ れた制限部材（差圧発生器または一次要素と呼ばれる）での圧力低下を測定する ことである。差圧発生器を通過する流量を計算する一般式は次のとおりである。 Ｑ＝ＮＣ_dＥＹ₁ｄ²√ρｈ ……式１ この式中の各項の意味は次のとおりである。 Ｑ ＝ 質量流量（質量／単位時間） Ｎ ＝ 単位変換係数（単位はさまざまである） Ｃ_d ＝ 放出係数（無次元） Ｅ ＝ 接近速度係数（無次元） Ｙ₁ ＝ 気体膨張係数（無次元） ｄ ＝ 差圧発生器の口径（長さ） ρ ＝ 流体密度（質量／単位体積） ｈ ＝ 差圧（作用力／単位面積） この式の各項のうち、簡単に計算できる項は、定数である単位変換係数のみで ある。その他の項は、比較的簡単なものから非常に複雑なものまで、さまざまな 式で表わされる。式の中には、多くの項を含んでおり、非整数の累乗を要するも のもある。これは計算上かなり負荷のかかる演算である。 流体を計測するために使用可能な計測器には多くの形式がある。ヘッドメータ は、流体の流量を計測するのに使用される最も一般的なものである。これらの計 測器は、流体の流れを遮断する方法で差圧を発生し、これを計測することによっ て、間接的に流体の流れを計測する。使用されるヘッドメータの形式およびパイ プの直径に依存して適切に規定された換算係数を使用すると、差圧の計測値は、 質量あるいは体積流量に換算されることができる。 流量を決定するために差圧を測定する１つの技術は、平均（化）ピトー管型一 次要素を使用することである。一般的に、流体を示す ための平均ピトー管型一次要素は、パイプ内の異なる地点で圧力を感知する２本 の中空の管からなる。これらの管は、パイプ内に分離して備え付けられているか 、あるいは単一の装置として、１つのケースの中に一緒に組み込まれることが可 能である。この設計は、正面（上流側）を向いて、全圧（Ｔ_TOT）を測定する管 を備えている。第２の管は、下流圧（down stream pressure）を測定する。この ２つの管の間の差圧は、式２によって与えられる流量の２乗に比例する。 Ｑ＝ＮＫＤ²Ｙ₁√ρｈ ……式２ この式中の各項の意味は次のとおりである。 Ｎ ＝ 単位変換係数 Ｋ ＝ 平均ピトー管の流量係数（無次元） Ｄ ＝ 管の直径（インチ） Ｙ₁ ＝ 気体膨張係数（無次元） ρ ＝ 流体密度（１ｂ_m／ｆｔ³） ｈ ＝ 差圧（インチ Ｈ₂） 圧力測定に基づいて流量を正確に計算するには、式１に代入するための気体密 度（ρ）および気体膨張係数（Ｙ₁）を正確に測定することが必要である。これ らは、正確な式、参照表、多項式の近似計算、あるいはその他の曲線適合技術に よって訃算される。密度（ρ） および気体膨張係数（Ｙ₁）を正確に計算するには、前述の技術に使用する静圧 （Ｐ_STAT）の正確な値が必要である。しかしながら、平均ピトー管の一次要素は 静圧を感知しない。上流を向いた管、および下流を向いた管のどちらも、静圧の 正確な指示を生じない。 一般的な先行技術の伝送器においては、密度（ρ）および気体膨張係数（Ｙ₁ ）は、別の独立した静圧（Ｐ_STAT）測定を用いて計算される。これは、精度を確 保するために、平均ピトー管と隔離される。このことは、追加のセンサを必要と し、またプロセス管に追加の入口（挿入物）を必要とするので不便である。 先行技術における、静圧（Ｐ_STAT）を測定するための追加のセンサは、扱いに くく、不便で、費用がかかるものであり、また誤差の原因を増大することになる 。 発明の概要 本発明は、平均ピトー管型一次要素を使用して、質量流量（Ｑ）を測定する伝 送器を提供する。本発明は、独立した別個の静圧測定器を必要としない。本発明 の１つの特徴は、１本のピトー管でプロセス流体の全圧（Ｐ_TOT）を感知する全 圧センサを備えていることである。第２の圧力センサは、一次要素の（複数の） 管の間の差圧を測定する。伝送器内の回路が、全圧に基づいて静圧（Ｐ_STAT）を 計算する。計算された（Ｐ_STAT）は、気体密度（ρ）および気体膨張係数（Ｙ₁ ）を計算するために使用される。流量（Ｑ）は、圧力測定、流体密度（ρ）、お よび気体膨張係数（Ｙ₁）に基づいて計算される。 図面の簡単な説明 図１Ａは、プロセス管に接続された、本発明による伝送器を示す。 図１Ｂは、本発明に使用される平均ピトー管型一次要素の、上から見た断面図 である。 図１Ｃは、プロセス管に装填された、図１Ｂの平均ピトー管型一次要素を示す 。 図２は、全圧および静圧を用いてそれぞれ計算された、最大流量での気体密度 の差圧に対する比較を示すグラフである。 図３は、８インチのパイプ内の二酸化炭素ガスの、差圧に対する全圧と静圧と の差の関係を示すグラフである。 図４は、８インチのパイプ内の二酸化炭素ガスの、差圧に対する、本発明に従 って計算された補正済み静圧に含まれる誤差の関係を示すグラフである。 図５は、流量（Ｑ）を決定するための、本発明による伝送器を示す、簡略化さ れたブロック図である。 好ましい実施例の詳細な説明 図１Ａは、プロセス管１２に接続された、本発明による伝送器１０を備えたプロ セス制御システム１０を示す図である。プロセス管１２は、速度（Ｖ）および流 量（Ｑ）を有するプロセス流体を伝送する。管１２は、気体または液体などの流 体を矢印１６で示される方向へ通過させる。 本発明は、独立した静圧（Ｐ_STAT）の計測を必要とせずに、平均 ピトー管型一次要素内の上流向きの管内で感知される全圧（Ｐ_TOT）、およびそ の２つの管の間で測定される差圧（ｈ）に基づいてＰ_STATの正確な推定値を供給 する。計算された静圧の推定値は、流体密度（ρ）および気体膨張係数（Ｙ₁） を決定するための計算に用いられる。静圧の推定方法は、一般的な従来技術の方 式に比べて、より少ない計算時間および所要電力（power）しか必要としない。 伝送器１０は、伝送器エレクトロニクス・モジュール１８およびセンサ・モジ ュール２２を含む。また、伝送器エレクトロニクス・モジュール１８は抵抗温度 素子（ＲＴＤ）からの入力を受け入れるためのボス２０を有するのが望ましい。 抵抗温度素子は、一般にパイプまたは温度計保護管に直接挿入された１００オー ムのＲＴＤであるのが好ましく、これはプロセス流体の温度を測定する目的でパ イプに挿入される。ＲＴＤからのリード線は、温度センサ・ハウジング２４の端 子ブロックの片側に接続している。端子ブロックの反対側には、管２６を通って ボス２０に結合する配線が接続されている。 センサ・モジュール２２には、差圧（ｈ）を測定するための差圧センサ、およ び全圧（Ｔ_TOT）を測定するための圧力センサが含まれる。これら２つのセンサ は、デジタル化されてマイクロプロセッサへ供給される圧力信号を発生する。モ ジュール２２は、マウント２３で支持されたマニホールド２１を介して一次要素 １４に連結される。補正（補償）、線形化、およびディジタル化された信号は、 エレクトロニクス・モジュール１８に供給される。伝送器１０のエレクトロニク ス・モジュール１８は、パイプ１２を通って流れているプロセス流体の質量流量 （Ｑ）などのプロセス状態を表わす出力信号を、可撓性導管２８を貫通している 、なるべくは撚り線対導体を使用した４〜２０ｍＡの２線式ループを介して遠隔 地へ伝送する。 さらに本発明に従って、伝送器１０はまた流量を示す出力信号を発生する。伝 送器１０は、一次要素１４に接続されている。一次要素１４は、例えば、１９７ ９年５月１５日に、ハーバウフ（Harbaugh）らに許可された「下流向き開口部を 有するピトー管型流量計の流量係数を安定化する方法および装置」という名称の 、米国特許第４，１５４，１００号に示されるようなピトー管で作られることが できる。 オリフィス板、ノズル、あるいはベンチュリ管などの他の様式の一次要素１４ を用いる場合は、気体密度（ρ）および気体膨張係数（Ｙ₁）の計算に使用する ために、伝送器１０でプロセス流体の静圧（Ｐ_STAT）が測定される。これらの値 は、流量を計算するのに用いられる。本発明においては、伝送器１０は米国特許 第４，１５４，１００号に示されるような平均ピトー管型一次要素を伴って使用 される。ピトー管の上流側で測定される圧力は、時折“よどみ圧”とも称される 全圧（Ｔ_TOT）の平均値である。第２の管は、これらの２つの管の間に差圧（ｈ ）を発生するように、流れの方向に対して、ある角度をなしている。全圧（Ｔ_{TO T} ）は、静圧（Ｐ_STAT）よりも高 いので、そのような全圧（Ｐ_TOT）を気体密度および気体膨張係数の計算に用い ると、流量に誤差を生じることになるであろう。 図１Ｂおよび図１Ｃは、管１２に装填されたピトー管型一次要素のより詳細な 図である。要素１４は、上流に向いたピトー管３０Ｂおよび下流に向いた第２の ピトー管３０Ｃを持つ細長い本体３０Ａを有する。管３０Ｂおよび３０Ｃは、そ れぞれに、その長さ方向に沿って散在させられた多数の開口部３２および３４を 有する。多数の開口部は、流れ１６の全断面の平均圧力を測定するのを確実にす る。管３０Ｂおよび３０Ｃは、管２１Ａ、２１Ｂおよび多岐管（マニホールド） ２１を介して伝送器１０のセンサ本体２２に連結される。 Ｐ_TOTをＰ_STATの推定値として用いた場合の、流体計算における誤差を説明す るためには、以下の方法を用いていくつかの例に関する評価をすることが有効で ある。 １．管の大きさ、および流量、圧力、温度の範囲を仮定する。この段階で仮定 される圧力は、静圧Ｐ_STATである。 ２．作動範囲に基づいて、圧力および温度の全範囲にわたる性能を評価するた めに、Ｐ_MIN、Ｐ_MID、Ｐ_MAXおよびＴ_MIN、Ｔ_MID、Ｔ_MAXを計算する。 ３．差圧範囲が２．５から２５０インチ（Ｈ₂Ｏ）の基準オリフィス流量計を 通過する流量を、第２段階から得られるＰおよびＴの９つの組合せについて計算 する。 ４．次の式３を用いて、Ｐ_STATから正確な全圧Ｐ_TOTを計算する。 この式中の各項の意味は次のとおりである。 Ｐ_TOT ＝ 全圧（ｐｓｉａ） Ｐ_STAT ＝ 静圧（ｐｓｉａ） Ｑ ＝ 質量流量（１ｂ_m／ｓｅｃ） Ａ ＝ 管の面積（インチ²） Ｒ_g ＝ 固有気体定数（Ｒ_u／Ｍｏｌ／Ｗｔ） Ｔ ＝ 絶対温度（°Ｒ） ｇ_c ＝ 重力比例定数 γ ＝ 比熱の比率（等エントロピー累乗指数） 式３はＰ_TOTおよびＰ_STATを関連付ける。さらに、この式で用いられる温度は 全温度（total temperature）である。この分析の目的のためには、ＲＴＤによ って測定される温度が全温度を表わすと仮定される。より詳細には、「一般化さ れた流体の流れおよび突然の拡大」（ベネディクト（Benedict）、ウィラー（Wy ler）、ダデック（Dudek）、およびグリード（Gleed）らの論文：米国機械学会 （ＡＳＭＥ）の報告書、動力工学（power engineering）誌、１９７６年 ７月号、３２７ページから３３４ページ）を参照のこと。この関係を用いて計算 される全圧（Ｐ_TOT）は、管３０Ｂを用いて伝送器１０によって別途に測定され ることのできる上流側の圧力を表わす。この方法はさらに、次のように継続され る。 ５．静圧Ｐ_STATの値を用いて計算される密度と、計算された全圧Ｐ_TOTの値を 比較する。 ６．式２を用いて、平均化センサの両側に生ずる差圧を計算する。 静圧（Ｐ_STAT）ではなく、全圧（Ｐ_TOT）を用いる場合の流量測定の誤差に及 ぼす影響が、これら２つの圧力を気体密度の計算に用いた場合の差異を評価する ことによって示される。図２はこれを示すものである。全圧（Ｐ_TOT）を用いて 計算された密度は、静圧（Ｐ_STAT）を用いて計算される密度よりも高い。図２に 示されるように、前記の差異は流量の増加、および静圧の低下に伴って増加する 。図２は、この分析に用いられた３種類の気体について、静圧の変化に対する気 体密度の最大誤差の比較を示す。このデータは、８インチの管内の流量に対して 計算されたものである。 式１および式２を見ても、ただちに全圧（Ｐ_TOT）、静圧（Ｐ_STAT）、および 差圧（ｈ）間の関係を明らかにすることはできない。しかしながら、全圧と静圧 との差が差圧に対してプロットされる場合は、それはほぼ直線状になる（図３参 照）。またそれは、静圧および温度の影響をほとんど受けない。 全圧（Ｐ_TOT）は、静圧の近似値を求めるために、このほぼ直線的 な関係を用いて補正されることができる。全圧および静圧は、流量ゼロで同じ値 に収束するので、全圧と静圧との関係は、次式で表すことが可能であろう。 Ｐ_TOT−Ｐ_STAT＝Ｃ₁ｈ ……式４ あるいは Ｐ_STAT＝Ｐ_TOT−Ｃ₁ｈ ……式５ ここで、Ｃ₁は、圧力および温度の全作動範囲で平均勾配である。図４は、静圧 Ｐ_STATを推定する際に、差圧（ｈ）が大きい場合でさえも、式５による推定が非 常に正確であることを示している。ある実施例においては、Ｐ_STAT計算の正確さ は、より高次の多項式をｈに使用することによって向上することができる。 図５は、本発明による伝送器１０を示す簡略化されたブロック図である。伝送 器１０は、アナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器４２に接続されたマイクロプロセ ッサ４０を有する。管３０Ｂからの圧力（Ｐ_TOT）を感知する圧力センサ４４、 および管３０Ｃからの差圧（ｈ）を感知する圧力センサ４６が、アナログデジタ ル変換器４２に接続される。センサ４４および４６は、図１Ａに示される一次要 素１４に接続される。アナログデジタル変換器はまた、温度センサ ２４からの温度入力を受信する。 マイクロプロセッサ４０は、メモリ５０に記憶された命令に従って、クロック ５２によって決定されるクロック率で作動する。メモリ５０はまたマイクロプロ セッサ４０のための情報も記憶している。 入出力回路５４は、接続端子５６を介してプロセス制御ループ２８Ａに接続され る。ループ２８Ａは遠隔地の電源からの電流Ｉを伝送し、この電流は、入出力回 路５４が伝送器１０用の電力を発生するのに用いられる。ある実施例では、伝送 器１０は、完全に（あるいは独占的に）ループ電流Ｉによって給電される。 入出力回路５４は、制御ループ２８Ａの電流Ｉの量を制御することによって、 ループ２８Ａを介して情報を伝達する。さらに入出力回路５４は、ループ２８Ａ 上へデジタル変調情報を送出する。また、伝送器１２はループ２８を介して命令 を受信することもできる。マイクロプロセッサは、前述の各式を使用し、全圧（ Ｐ_TOT）を用いて流量を正確に計算して流体密度（ρ）を決定する。 本発明は、平均ピトー管型一次要素によって得られる全圧（Ｐ_TOT）および差 圧（ｈ）に基づいて、静圧（Ｐ_STAT）推定値を供給する。これにより、従来技術 において静圧を測定するために用いられた余分のセンサ、および流体チューブへ の余分な部品の装填が不要になる。 本発明を好ましい実施態様を参照して説明してきたが、本発明の精神や範囲か ら逸脱することなく、形式や詳細な点において変更が 可能であることが当業者には明かであろう。例えば、この装置を最適化するため に、アナログデジタル交換器あるいはマイクロプロセッサを追加して使用するこ とができる。さらに、どんな型式の平均ピトー管一次要素も使用できるであろう 。静圧（Ｐ_STAT）を計算する工程は、密度（ρ）、気体膨張係数（Ｙ₁）、ある いは流量（Ｑ）を計算するために用いられるような、他の式に直接適用されるこ ともある。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． ほぼ上流に向いた管および第２の管を有する平均ピトー管型一次要素に 接続され、プロセス流体の流量（Ｑ）を計算する伝送器であって、 ほぼ上流に向いた前記管を用いてプロセス流体の全圧（Ｐ_TOT）を感知 するための全圧センサと、 ほぼ上流に向いた前記管と第２の管との間の、プロセス流体の差圧（ｈ ）を感知するための差圧センサと、 全圧（Ｐ_TOT）および差圧（ｈ）、ならびに全圧（Ｐ_TOT）の関数として 計算される流体密度（ρ）および気体膨張係数（Ｙ₁）に基づいて流量（Ｑ）を 計算する回路と、 プロセス制御ループに接続され、計算された流量（Ｑ）をプロセス制御 ループに伝送する入出力回路とを具備した伝送器。 ２． 前記計算回路は、全圧（Ｐ_TOT）および差圧（ｈ）の関数として、静圧 （Ｐ_STAT）を計算し、プロセス流体の流体密度（ρ）および気体膨張係数（Ｙ₁ ）が静圧（Ｐ_STAT）の関数として、従ってまた全圧（Ｐ_TOT）の関数として計算 される請求項１の伝送器。 ３． 静圧（Ｐ_STAT）と全圧（Ｐ_TOT）との間の差が、差圧（ｈ）に対して直 線関係にある請求項２の伝送器。 ４． 静圧（Ｐ_STAT）が次式、 Ｐ_TOT−Ｐ_STAT：Ｃ₁ｈ （ここで、Ｃ₁は定数）に従って計算される請求項３の伝送器。 ５． 静圧（Ｐ_STAT）と全圧（Ｐ_TOT）との間の差が、差圧（ｈ）に関する多 項式に従って計算される請求項２の伝送器。 ６． 流量（Ｑ）の計算に使用するための、プロセス流体温度入力を含む請求 項１の伝送器。 ７． 伝送器においてプロセス流体の流量（Ｑ）を決定するための方法であっ て、 平均ピトー管型一次要素によって発生され全圧（Ｐ_TOT）を感知する段 階と、 平均ピトー管型要素によって発生される差圧（ｈ）を感知する段階と、 静圧（Ｐ_STAT）、全圧（Ｐ_TOT）、および差圧（ｈ）に基づいて流量（ Ｑ）を計算する段階とよりなり、 前記静圧（Ｐ_STAT）は、前記全圧（Ｐ_TOT）と差圧（ｈ）とに基づいて 決定される方法。 ８． 流量（Ｑ）を計算するのに用いられる流体密度（ρ）を、計算された静 圧（Ｐ_STAT）に基づいて計算する段階を含む請求項７の方法。 ９． 流量（Ｑ）を計算するのに用いられる気体膨張係数（Ｙ₁）を、計算さ れた静圧（Ｐ_STAT）に基づいて計算する段階を含む請求項７の方法。 １０． 静圧（Ｐ_STAT）と全圧（Ｐ_TOT）との差が、差圧（ｈ）に対して直線関 係にある請求項７の方法。 １１． 直線関係が次式、 Ｐ_TOT−Ｐ_STAT＝Ｃ₁ｈ （ここで、Ｃ₁は定数）で表わされる請求項１０の方法。 １２． 静圧（Ｐ_STAT）と全圧（Ｐ_TOT）との差が、差圧（ｈ）に対する多項式 関係を用いて計算される請求項７の方法。 １３． プロセス制御ループを介して流量（Ｑ）を伝送する段階を含む請求項７ の方法。 １４． プロセス流体の温度を測定する段階を含み、さらに流量（Ｑ）を計算す る段階においてはプロセス流体の温度を含む請求項７の方法。