JP6373401B2 - 高圧ウエハ型磁気流量計 - Google Patents

Description

工業プロセス制御システムが、液体等を製造又は転送するところの工業プロセスを監視及び制御するために用いられる。そのようなシステムにおいて、「プロセス変数」、例えば温度、圧力、流量等を計測することは一般的に重要である。プロセス制御送信機は、そのようなプロセス変数を計測し、計測されたプロセス変数に関する情報を中央位置、例えば中央制御室へ送り返すために用いられる。

プロセス変数送信機の１つの型は、磁気流量計（マグメータ）である。磁気流量計は、電磁効果であるファラデー誘導を用いて流れを計測する。電磁流量計は、流管、例えばパイプの断面を横切って磁場を生成するようにエネルギーを供給されるコイルを備えている。磁場は、プロセス流体流内に電磁力（ｅｍｆ）を誘導する。プロセス流体流を横切る誘導された電圧降下は、体積流量及び流管の断面積に比例するところの流速に関連している。電圧降下は、プロセス流体に、直接的に又は容量的結合を介して結合されているところの電極を用いて一般的に計測される。

電磁的流量計測技術は、一般にイオン溶液、水性流体、及びその他の電導性流体に適用可能である。磁気流量計が採用された事例的環境は、有害で腐食性のプロセス流体流を含む、衛生的な食品及び飲料製造、水処理施設、高純度薬物製造、及び化学処理を包含している。更に、マグメータはまた、摩耗性及び腐食性スラリーを用いる水圧破砕技術は勿論のこと、炭化水素抽出及び処理を含む炭化水素燃料産業において採用される。

磁気流量計は、流量計測要素（例えば、オリフィス板）をプロセス流体流中に導入するという別の流量計測技術が適切でないような応用において、速く精確な流量計測を提供する。磁気流量計の製造における重要なコストの１つは、プロセス流体がそれを通って流れるところの流管である。この流管は、プロセス流体圧に耐えねばならずかつプロセス内に漏洩を導入してはならない。一般的に流管は、頑健なプロセス流体接続を作り出すためにパイプフランジにボルト止めをする１対のフランジを備えている。しかしいくつかの環境においては、フランジ付き流管の追加コストは、コスト的に法外なものになりうる。そのような例において、フランジ無しの、又はウエハ型磁気流量計が用いられる。ウエハ型磁気流量計は、如何なるフランジも無い流管を備えている。こうして、ウエハ型磁気流量計は、従来のフランジ付き磁気流量計よりも、より経済的で、コンパクトで、且つ軽量でありうる。商用的に入手可能なウエハ型磁気流量センサの１例が、商標Model 8711 Wafer Sensor（モデル８７１１ウエハセンサ）の下に、Emerson Process Management（エマーソンプロセス管理）から入手可能に販売されている。磁気ウエハセンサが適切な送信機電子機器と対にされている、例えば、商標Model 8732E、Model 8712E又は8712Hの下に販売されているものであるとき、完全に動作可能なウエハ型磁気流量計が提供される。

ウエハ型電磁流量センサは、１対の面及び１対の面の間に延在する流管を有する一体型のシャーシを備えている。ここで、シャーシの各面は、金属シーリングリングと係合するように構成された構造を備えている。非導電性のライナーは、一体型のシャーシの流管に配置されている。複数の電磁コイルは、流管を通って流れるプロセス流体内に磁束を生成するように構成されている。１対の電極は、プロセス流体に電気的に結合するように構成されている。フィードスルーアセンブリは、複数の電気的導体がそれを通過することを可能にする一方、プロセス流体圧を保持するように構成されている。

本発明の実施態様によるプロセス流体管に搭載されたウエハ型電磁流量センサの線図である。 本発明の実施態様による電磁流量センサの断面図である。 本発明の別の実施態様による電磁流量センサの断面図である。

ウエハ型電磁流量センサが従来のフランジ付き電磁流量センサに対して多数の有利点を提供する一方で、高圧分野におけるそれらの適用は、限られていた。ＡＳＭＥ Ｂ16.5-1996 Pipe Flange and Flange Fittings （パイプフランジ及びフランジ固定）規格は、圧力−温度規格、材料、寸法、耐性、マーキング、試験、及びパイプフランジ及びフランジ固定のための指定開口の方法を取り扱っている。この規格の順守は、多くの状況において高信頼の頑健なかつ安全なパイプ接続を保証するために重要である。ウエハ型電磁流量センサがフランジを有していないので、これは、プロセス流体圧を阻止するためには不利でありうる。例えば、上に列挙されたModel 8711は、クラス３００のＡＳＭＥ評価を有している。しかし、オイル及びガスにおける応用（具体的には、水注入及び水分離）は、規定通りに１〜８インチ直径直線サイズ、及びクラス６００からクラス２５００の範囲内である。こうして、そのような高圧応用のために、フランジ付き磁気流量センサは、所望の圧力を扱うことが可能なオプションのみである。フランジ付き磁気流量センサの限界は、主としてサイズとコストである。フランジ付き磁気流量センサの範囲は、高圧要求に合わせるために利用可能である一方、これらモデルは、計器の重量、据えられた長さ、及びコストに関して、製造するのに最も大きなもののいくつかである。そのようなフランジ付き磁気流量計センサの流管の材料の量は、流量計が一度設置されるときの補給の課題と同様に高価な結果を招く。

高圧下での流れの計測は、多くの産業に亘って一般的になりつつある。したがって、ＡＳＭＥクラス２５００まで圧力を維持しつつプロセス流を計測し、及び／又は記録することを、コストが効果的な仕方で提供することは重要である。フランジ付きの設計のコスト無しでＡＳＭＥクラス２５００と同じ高さの圧力で動作し得るところの磁気流量計を提供することは、高圧プロセス流体流の計測分野に対して重要な有利点をもたらすであろう。

図１は、本発明の実施態様によるプロセス流体管に搭載されたウエハ型電磁流量センサの線図である。流量センサ１００は、パイプ１０２に搭載されている。明瞭のために、パイプマウントの１つの側のみが図示されている。パイプ１０２は、それを貫く多数のボルト孔１０６を有するパイプフランジ１０４を備えている。パイプフランジのボルト孔１０６は、ボルトがパイプフランジの間にウエハ型流量センサを基本的にクランプするために用いられうるように、協働するパイプフランジ（図示されていない）のボルト孔と一致するよう配置される。センサ１００は、送信機１１０とセンサ１００内のコイル／電極（図１には示されていない）の間の電気接続を可能にするところの高圧力電気的フィードスルーアセンブリ又はヘッダアセンブリ１０８を備えている。本発明の実施態様によると、センサ１００は、金属シーリングリングに係合するように構成されているところの構造、即ち各フランジの対向表面を有している一体型の金属製シャーシに形成されている。１の実施態様においては、構造は、各フランジの対向表面上の溝１１２である。しかし、本発明の実施態様は、適切な協働的係合が頑健なシーリングを生み出すように提供されるように表面形状及び金属製シーリングリングの両方の様々な形状で実施されうる。表面の構造の適切な例は、平坦面と隆起面との接続を含んでいる。

金属対金属シーリングは、金属製リング１１４と各表面構造、例えば溝１１２との係合によって作り出される。金属製リング／溝の構成は、リング型継ぎ手（ＲＴＪ）接続、又は何らかの別の適切な金属対金属結合でありうる。金属−金属結合は、センサシャーシ、溝の近傍から、金属製リングへ且つパイプフランジへ延在しており、パイプフランジはまた、金属製リングを受け容れるのに適切な溝を有しうる。パイプフランジがボルトによって一緒に引き寄せられるので、金属製リングは、完全性の高いシーリングを生み出すように変形される。一体型のシャーシのパイプフランジへの金属対金属シーリングとの組合せは、ＡＳＭＥクラス２５００と同じ高さの圧力／温度規格に適合するところの特別に頑健で高い完全性のシステムを提供すると思われている。

図２は、本発明の実施態様による電磁流量センサの断面図である。流量センサ１００は、一体型品として形成されるシャーシ１３０を備えている。シャーシ１３０は、１対の面１２７、１２９と１対の面１２７、１２９の間に延在している流管１３１とを有している。シャーシ１３０は、任意の適切な技術を用いて形成されうるが、１の実施態様においては、炭素鋼の一体型品として鋳造される。シャーシ１３０はまた、金属製リング１１４を受け取るように面１２７、１２９上に溝１１２を備えている。１の実施態様において、溝１１２は、部分的Ｖ字形溝を形成するように、テーパ付けられた側面及び平坦な底を有している。この形状は、円形の断面を有するところの金属シーリングリングと特に良く協働し、それは、テーパ付けられた側面の各々で単一の高圧金属対金属の接触点をもたらす。

電気絶縁性のライナー１３２が、シャーシ１３０の直径内に備えられる。ライナー１３２は、導電性プロセス流体がシャーシを通って流れるときに、導電性プロセス流体がシャーシ１３０に接触しないことを保証する。ライナー１３２は、何らかの適切な非導電性材料で形成されうる。そのような所定の位置内での成形技術のための適切な材料は、プラスチック及びウレタン、例えばポリウレタン及びアジプレンを包含している。しかし本発明の実施態様は、ライナー１３２を形成する何らかの適切な非導電性の材料で実施されうる。ライナー１３２は、１の実施態様において、ライナー１３２をシャーシ１３０により良く接着させるために、シャーシ１３０内の溝又は継ぎ手チャネル１３５と係合するところの構造１３３を備えている。非導電性のライナー１３２は、何らかの適切な仕方で管１３１内に配置されうる一方、１の実施態様において、ライナー１３２は、シャーシ１３０の管１３１内の所定の位置内に成形されている。

１の実施態様において、コイル１３４、１３６、及び／又は電極１３８（その内の１つのみが図２に示されている）は、ライナー１３２内に成形されうる。コイル１３４、１３６は、何らかの適切な仕方で形成されうる。しかし、１の実施態様において、コイル１３４、１３６は、ライナー１３２内に埋設されるところのボビンに巻かれたコイルである。さらに、関連する高圧が与えられても、少なくとも幾つかの実施態様は、電極１３８に関する曲がった電極通路を備え、電極自体に働く圧力が電極を飛び出させず又は別に流量センサを損傷させない。このようにして、柔軟な回路又は他の適切な導電体が、電極１３８への適切な電気的接続を作るようにライナー１３２内に埋設されうる。

１の実施態様において、電磁鋼板リング１４０が、磁気磁束をプロセスへ向けるために採用され、ひいては電極及びヘッダ１０８を遮蔽する。電磁鋼板は図示された実施態様において採用されているが、リング１４０は、所望されたように磁気磁束を向けることが出来るところの何らかの適切な材料でありうる。

図２は、シャーシを通る穴又は開口部１４４を有するシャーシ１３０内に隆起部分１４２を備えるフィードスルーアセンブリ１０８を示している。多数の導電体１４６、１４８、１５０、及び１５２が、夫々のコイル及び電極に結合されている。導電体１４６、１４８、１５０、及び１５２は、ヘッダ１５４を貫通している。ヘッダ１５４は、セラミックの市販の電極、又はシャーシ１３０の外側直径でシャーシ１３０に溶接されたガラス張りのヘッダであってもよい。これは、フィードスルーアセンブリ１０８が唯一の潜在的漏洩経路を塞ぐことを保証するのを助け、それにより、もし計器が壊れても、プロセス流体が大気中に漏れないことを保証する。１の実施態様において、フィードスルーアセンブリ１０８は、標準送信機がフィードスルーアセンブリ１０８に搭載されうるように標準管アダプタに似ているように大きさ及び形状が取られている。

図３は、本発明の１実施態様による電磁流量センサの断面図である。センサ２００は、センサ１００に対する多くの類似性を持っており、類似の構成要素には類似の番号が付けられている。センサ２００とセンサ１００の間の主要な違いは、センサ２００が、電磁鋼板リング１４０から開口部１４４へと延在しているテーパ部を備えていないことである。テーパ部を取り除くことによって、図３に示された実施態様は、より高い圧力／温度クラスの順守を達成しうると考えられている。例えば、図２に示された実施態様がＡＳＭＥクラス９００順守を達成することを期待されるが、図３に示された実施態様は、ＡＳＭＥクラス２０００順守を達成することを期待されている。

本発明の実施態様は、既存のデザインを超える多数の有利点を提供する。例えば、もしＡＳＭＥクラス９００を達成する磁気流量メータが、４インチ直径のパイプに必要とされるならば、フランジ付き磁気流量センサは、約１４０ポンドの重さであろう。対照的に、本発明の実施態様は、僅か３２ポンドの重さであり且つ依然とＡＳＭＥクラス９００順守を達成するところのウエハ型電磁流量センサを提供することが出来る。さらに、ウエハ型流量センサは、フランジ付きのデザインと比較して７５パーセント短縮された設置長さを有している。この顕著な材料の節約は、節約された材料コストに直接的に置き換えられる。例えば、上に述べられたこの実施例の材料の節約は、流管単独について７０％のオーダーであると考えられている。さらにまた、フランジ付きのデザインと比較して、本発明の実施態様については必要とされる溶接がより少ないので、労働コストが下げられであろうと考えられている。

本発明の実施態様はまた、フランジ付きデザインに対する性能上の有利点を提供する。具体的には、圧力保持力における余裕度が、ウエハ型電磁流量センサのシャーシデザインによって可能にされている。これは、そのような高圧で動作しているマグメータにとって特に重要である。なぜならマグメータの最も重要な機能は、そのような高圧で流れを計測することに加えて、高いプロセス流体圧を簡易に保持することであるからである。

Claims (17)

1. ウエハ型電磁流量センサであって、
   １対の面及び複数の電気的導体を通過させるための単一開口部を有し、各面は金属シーリングリングと係合するように構成された構造を備えている一体型のシャーシ；
   一体型のシャーシの直径内に備えられた非導電性のライナー；
   一体型のシャーシの１対の面の間に延在し、非導電性のライナーによって絶縁された流管；
   流管を通って流れるプロセス流体内に磁束を生成するように構成された複数の電磁コイル；
   プロセス流体に電気的に結合するように構成された１対の電極；及び
   一体型のシャーシの単一開口部内に配置され且つ単一開口部をシーリングするとともに、複数の電気的導体がそれを通過することを可能にするように構成されたフィードスルーアセンブリ；
   を含む、ウエハ型電磁流量センサ。
2. 一体型のシャーシは、炭素鋼の一体型品として鋳造されている、請求項１に記載のウエハ型電磁流量センサ。
3. 一体型のシャーシの１対の面に備えられた各構造は、金属シーリングリングを受け取るように構成された溝である、請求項１に記載のウエハ型電磁流量センサ。
4. 溝の各々は、テーパが付けられた側面及び平坦な底を備えている、請求項３に記載のウエハ型電磁流量センサ。
5. 非導電性のライナーは、非導電性材料で形成された成形体であり、及び流管は、非導電性のライナーによって形成される請求項１に記載のウエハ型電磁流量センサ。
6. 複数の電磁コイルは、非導電性のライナー内に埋設されている、請求項５に記載のウエハ型電磁流量センサ。
7. １対の電極は、非導電性のライナー内に埋設されている、請求項５に記載のウエハ型電磁流量センサ。
8. 非導電性のライナーは、プラスチックで形成されている、請求項５〜７のいずれか１項に記載のウエハ型電磁流量センサ。
9. 非導電性のライナーは、ポリウレタンで形成されている、請求項５〜７のいずれか１項に記載のウエハ型電磁流量センサ。
10. 非導電性のライナーは、アジプレンで形成されている、請求項５〜７のいずれか１項に記載のウエハ型電磁流量センサ。
11. 一体型のシャーシの単一開口部は、実質的に直角で流管に面している、請求項１に記載のウエハ型電磁流量センサ。
12. フィードスルーアセンブリは、ガラス化ヘッダを備えている、請求項１に記載のウエハ型電磁流量センサ。
13. 一体型のシャーシの１対の面は、非導電性のライナーと係合する継ぎ手チャネルを備えている、請求項１に記載のウエハ型電磁流量センサ。
14. 一体型のシャーシの１対の面は、１対の金属シーリングリングを介して、１対のパイプフランジに結合されている、請求項１に記載のウエハ型電磁流量センサ。
15. フィードスルーアセンブリは、プロセス変数送信機に結合されている、請求項１に記載のウエハ型電磁流量センサ。
16. １対の電極は、曲がった通路を介してフィードスルーアセンブリに結合されている、請求項１に記載のウエハ型電磁流量センサ。
17. 更に、非導電性のライナーの外側に配置され、且つ複数の電磁コイルからの磁束を流管内に向けるように配置された電磁鋼板リングを備えている、請求項５〜７のいずれか１項に記載のウエハ型電磁流量センサ。