(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水平直管に所定の距離をおいて取り付けられた第１の圧力検出部からの検出流体圧力と第２の圧力検出部からの検出流体圧力との差圧を検出する第１の差圧検出手段と、
前記水平直管と連結された当該水平直管と同径の垂直直管に前記所定の距離と同じ高低差をもって取り付けられた第３の圧力検出部からの検出流体圧力と第４の圧力検出部からの検出流体圧力との差圧を検出する第２の差圧検出手段と、
前記水平直管および前記垂直直管の何れか一方と連結された当該水平直管および垂直直管の径よりも十分に大きな径を有する垂直管に任意の高低差をもって取り付けられた第５の圧力検出部からの検出流体圧力と第６の圧力検出部からの検出流体圧力との差圧を検出する第３の差圧検出手段とを備え、
密度変化の大きい時は前記第１および第２の差圧検出手段からの検出差圧に基づいて被測定流体の密度を測定し、密度変化の小さい時は前記第３の差圧検出手段からの検出差圧に基づいて被測定流体の密度を測定する
ようにしたことを特徴とする密度測定装置。
【請求項２】
請求項１において、前記第２の圧力検出部と前記第３の圧力検出部とが兼用されていることを特徴とする密度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、立ち上げ、停止、定常運転が比較的頻繁に行われるプロセスに用いて好適な密度測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
本出願人の一人は、先に、特願平３−１５９９４６号（特公平８−１０１８６号）として、密度計を提案した。この密度計では、流体が流れる垂直管の上下位置からその差圧を検出し、この検出差圧に基づいて流体の密度を測定するようにしている。
【０００３】
図２にその原理図を示す。同図において、１０１は垂直管、１０２，１０３は所定距離Ｌの高低差をもって垂直管１０１より分岐された枝管であり、枝管１０２，１０３にダイアフラムシール差圧計のダイアフラム１０４，１０５が取り付けられている。この垂直管１０１内を図示矢印方向に流体が流れる。この場合、ダイアフラム１０４からの検出圧力とダイアフラム１０５からの検出圧力との差圧Δｐ（Δｐ＝γ・Ｌ）を検出することにより、被測定流体の密度γを測定することができる。
【０００４】
この場合、上下２箇所のダイアフラム１０４，１０５間で検出される差圧Δｐには、流体の圧力損失も含まれるので、流入側の管路に絞り１０１ａを設け、流速を一時的に速め、流体の静圧降下を一時的に生じさせるようにしている。ここで、圧力損失と静圧降下とが等しくなるように絞り１０１ａを選ぶと、検出差圧Δｐには圧力損失が含まれなくなるので、流速により変動の生じない密度の測定が可能となる。この密度計では、絞り１０１ａが正確に作製されていることをその要件とする。そうでないと、密度の測定精度に大きな誤差が生じ、使いものにならなくなる。このため、垂直管１０１としては、絞り１０１ａを高精度で作製し得る金属製とすることが望まれる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この密度計において、流体として金属に対して腐食性を有する液体、例えば塩酸や硝酸などの密度を測定しようとした場合、垂直管１０１の材質としてそれに耐え得るものが求められる。例えば、プラスチックなどの樹脂を用いたり、ライニングを施した管を用いることが考えられる。しかし、このような管に高精度の絞りを設けることは困難である。また、熱膨張係数も一般的に樹脂は大きいので、絞りの精度に影響を与える。なお、垂直管１０１の材質として耐酸性用金属を用いることも考えられるが、高価となる。
【０００６】
最近では、絞りを設けない密度計として、配管の損失を測定するための第１の差圧計と、この配管に連結された同径の垂直管に取り付けられた密度を測定するための第２の差圧計とを用いた密度計が提案されている。この密度計によれば、流速の変動などの損失成分をキャンセルし、追従性の良い密度信号を発信することが可能である。また、絞りがないため、流体抵抗が少なくて済み、かつ汚れなどの付着の心配も少なく、樹脂の使用が可能となる。
【０００７】
しかし、この密度計では、流速の影響をキャンセルすることができるものの、その測定精度はあまり期待できない。例えば、鋼板の洗浄用に用いられる塩酸の濃度制御を行う場合、立ち上げ時や停止時には非常に良い追従性を示すものの、ある程度濃度制御が効いてきて濃度が安定してきたような時（定常運転時）には、測定精度が不十分となる。
【０００８】
本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、樹脂製の管を用い、プロセスの立ち上げ時や停止時だけではなく、定常運転時にも精度よく、金属に対して腐食性を有する流体の密度を測定することの可能な密度測定装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために本発明は、密度変化の大きい時は、径の小さい水平直管および垂直直管にその圧力検出部を取り付けた第１および第２の差圧検出手段からの検出差圧に基づいて被測定流体の密度を測定し、密度変化の小さい時は、水平直管および垂直直管よりも径の十分大きい垂直管にその圧力検出部を取り付けた第３の差圧検出手段からの検出差圧に基づいて被測定流体の密度を測定するようにしたものである。
この発明によれば、密度変化の大きい時、すなわちプロセスの立ち上げ時や停止時には、径の小さい水平直管および垂直直管からの検出差圧に基づいて追従性よく被測定流体の密度が測定される。これに対し、密度変化の小さい時、すなわちプロセスの定常運転時には、径の十分大きい垂直管（槽）からの検出差圧に基づいて精度良く被測定流体の密度が測定される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施の形態に基づき詳細に説明する。図１（ａ）はこの発明に係る密度測定装置を用いたプロセスの要部を示す側面図である。同図において、１は横配管（水平直管）、２は横配管１と連結された縦配管（垂直直管）、３は縦配管２と連結された槽（垂直管）である。これら横配管１，縦配管２，槽３内を図示矢印Ａ方向へ塩酸が流れる。すなわち、被測定流体である塩酸が流入口４より流入し、横配管１を通り、続いて縦配管２を通り、最後に槽３を通って流出口５より流出する。
【００１１】
横配管１と縦配管２とはその径が同径ｄ２とされており、槽３は横配管１および縦配管２の径ｄ２よりも十分に大きな径ｄ１（ｄ１＞＞ｄ２）、例えばｄ１＝４ｄ２とされている。このｄ１とｄ２の関係は測定精度に関係するが、ｄ１＝４ｄ２程度であれば、十分であると言える。また、横配管１，縦配管２，槽３は、耐酸性樹脂とされている。
【００１２】
横配管１，縦配管２および槽３にはそれそれ差圧を検出する目的で枝管が２箇所ずつ設けられている。両枝管の間隔は所定距離Ｌだけ離れている。すなわち、横配管１には、この横配管１を下側から見た部分平面図を図１（ｂ）に示すように、枝管３１と３２とが設けられており、この枝管３１と３２との水平方向の間隔が所定距離Ｌとされている。縦配管２には、枝管２１と２２とが設けられており、この枝管２１と２２との垂直方向の間隔が所定距離Ｌとされている。槽３には、枝管１１と１２とが設けられており、この枝管１１と１２との垂直方向の間隔が所定距離Ｌとされている。
【００１３】
そして、横配管１の枝管３１および３２に耐塩酸用金属製のダイアフラム６１および６２を組み付け、上流側ダイアフラム６１で圧力Ｐ３１を、下流側ダイアフラム６２で圧力Ｐ３２を検出し、この検出圧力Ｐ３１およびＰ３２を封入液を介して差圧計本体６へ与え、検出圧力Ｐ３１とＰ３２との差圧Δｐ３（Δｐ３＝Ｐ３１−Ｐ３２）を検出するようにしている。
【００１４】
また、縦配管１の枝管２１および２２に耐塩酸用金属製のダイアフラム７１および７２を組み付け、上流側ダイアフラム７１で圧力Ｐ２１を、下流側ダイアフラム７２で圧力Ｐ２２を検出し、この検出圧力Ｐ２１およびＰ２２を封入液を介して差圧計本体７へ与え、検出圧力Ｐ２１とＰ２２との差圧Δｐ２（Δｐ２＝Ｐ２１−Ｐ２２）を検出するようにしている。
【００１５】
また、槽３の枝管１１および１２に耐塩酸用金属製のダイアフラム８１および８２を組み付け、上流側ダイアフラム８１で圧力Ｐ１１を、下流側ダイアフラム８２で圧力Ｐ１２を検出し、この検出圧力Ｐ１１およびＰ１２を封入液を介して差圧計本体８へ与え、検出圧力Ｐ１１とＰ１２との差圧Δｐ１（Δｐ１＝Ｐ１１−Ｐ１２）を検出するようにしている。
【００１６】
〔密度測定原理〕
内径ｄの管内を流体が流れる間に生じる２地点間の差圧Δｐは下記（１）式で計算できる。
Δｐ＝λγν２  Ｌ／（２ｄ）＋ｈγ  ・・・・（１）
ここで、λは損失係数、γは流体の密度、νは流速、Ｌは２地点間の水平距離、ｈは２地点間の垂直距離。
【００１７】
容積流量Ｑが内径ｄａの管（第１の管）から内径ｄｂの管（第２の管）へと流れ込む時、第２の管内での流速ν１  は第１の管の内径ｄａと第２の管の内径ｄｂによって変わり、第１の管内での流速をν２  とすると、下記（２）式で計算できる。
ν１  ＝（ｄａ／ｄｂ）２  ν２    ・・・・（２）
また、流体が距離Ｌを通過するのに要する時間ｔは下記（３）式として計算できる。
ｔ＝Ｌ／ν  ・・・・（３）
【００１８】
〔槽３に生じる差圧Δｐ１からの密度測定〕
ここで、槽３に生じる差圧Δｐ１について検討してみる。
槽３に生じる差圧Δｐ１は、上記（１）式により下記（４）式として表される。
Δｐ１＝λγν１  ２  Ｌ／（２ｄ１）＋ｈγ  ・・・・（４）
また、槽３内の流速ν１  は、上記（２）式により下記（５）式として表される。
ν１  ＝（ｄ２／ｄ１）２  ν２    ・・・・（５）
【００１９】
（４）式に（５）式を代入すると下記（６）式として表される。
Δｐ１＝λγＬ〔（ｄ２／ｄ１）２  ν２  〕２  ／（２ｄ１）＋ｈγ  ・・・・（６）
この（６）式において、ｄ１＞＞ｄ２のとき、この（６）式は近似的に次の（７）式とみなせる。
Δｐ１≒ｈγ  ・・・・（７）
この（７）式の垂直距離ｈは一定値（ｈ＝Ｌ）なので、塩酸の密度γが変化するとΔｐ１が変化する。したがって、このΔｐ１の変化から塩酸の密度γを知ることができる。
【００２０】
槽３内において塩酸が枝管８１，８２間を通過する時間ｔ１は、上記（３）式により、ｔ１＝Ｌ／ν１  として計算できる。この場合、槽３内の流速ν１  として上記（５）式を代入すれば、下記（８）式として表される。
ｔ１＝Ｌ／〔（ｄ２／ｄ１）２  ν２  〕＝Ｌ（ｄ１／ｄ２）２  ／ν２    ・・・・（８）
【００２１】
この場合、ｄ１≧ｄ２であるので、通過時間ｔ１は大きな値となる。この差圧Δｐ１の変化をみる方式では、密度変化がなく、ほとんど安定し、緩やかに変化する場合、（７）式から分かるように、不確定要因がないので高精度で密度の測定を行うことができるという長所を有する。しかし、塩酸の密度変化が短時間で起きる場合、これに追随してその密度を迅速に測定することは困難であり、これが短所となる。
【００２２】
〔縦配管２に生じる差圧Δｐ２および横配管１に生じる差圧Δｐ３からの密度測定〕
次に、縦配管２に生じる差圧Δｐ２について検討してみる。
縦配管２に生じる差圧Δｐ２は、上記（１）式より下記（９）式として表される。
Δｐ２＝λγν２  ２  Ｌ／（２ｄ２）＋ｈγ  ・・・・（９）
この場合、ｄ１＞＞ｄ２なので、上記（９）式は先の（７）式のように表すことはできない。従って、差圧Δｐ２を測定し、これから密度γを測定することはできない。
【００２３】
しかし、横配管１に生じる差圧Δｐ３を使えば、先の（７）式のように変えることができる。すなわち、差圧Δｐ３はｈ＝０なので、下記（１０）式として表される。
Δｐ３＝λγν２  ２  Ｌ／（２ｄ２）  ・・・・（１０）
ここで、Δｐ２とΔｐ３との差を求めると、
Δｐ２−Δｐ３＝λγν２  ２  Ｌ／（２ｄ２）＋ｈγ−λγν２  ２  Ｌ／（２ｄ２）＝ｈγ  ・・・・（１１）
となり、（７）式と同様になる。この（１１）式の垂直距離ｈは一定値（ｈ＝Ｌ）なので、塩酸の密度γが変化するとΔｐ２−Δｐ３が変化する。したがって、このΔｐ２−Δｐ３の差の変化から塩酸の密度γを知ることができる。
【００２４】
縦配管２において塩酸が枝管７１，７２間を通過する時間ｔ２は、上記（３）式により、ｔ２＝Ｌ／ν２  として計算できる。横配管３において塩酸が枝管６１，６２間を通過する時間ｔ３は、上記（３）式により、ｔ３＝Ｌ／ν２  として計算できる。したがって、横配管１と縦配管２の両枝管を通過する時間ｔ１２は、ｔ１２＝２Ｌ／ν２  として表される。
【００２５】
この場合、ν２  ＞＞ν１  なので、通過時間ｔ１２は短い。この差圧Δｐ２とΔｐ３との差の変化をみる方式では、塩酸の密度変化が短時間で起きる場合、これに追随してその密度を迅速に測定することができるという長所を有する。しかし、差圧Δｐ２，Δｐ３を測定して、それを更に引き算して密度信号とするので、不確定要因がその分多く、槽３に生じる差圧Δｐ１の変化から密度を測定する方式と比較し、精度が悪く、これが短所となる。
【００２６】
塩酸の密度を所定の密度に制御するとき、運転開始時は制御幅の変動が多く頻発するので、密度の追跡は素早く行わなければならない。その後、制御系が安定し、塩酸を希釈する制御が定常化すると密度測定の素早い応答は必要なくなり、むしろ密度の高精度測定が必要となる。また、運転停止時には、制御が不安定となるので、密度の追跡は素早く行わなければならない。
【００２７】
そこで、本実施の形態では、密度変化の大きい時、すなわち運転開始時や運転停止時（プロセスの立ち上げ時や停止時）には、径の小さい縦配管２に生じる差圧Δｐ２と横配管１に生じる差圧Δｐ３との差の変化をみる方式を採用することにより、追従性よく塩酸の密度を測定する。これに対し、密度変化の小さい時、すなわち塩酸を希釈する制御が定常化した時（プロセスの定常運転時）には、径の十分大きい槽３に生じる差圧Δｐ１の変化をみる方式を採用することにより、精度良く塩酸の密度を測定する。これにより、立ち上げ時や停止時のみではなく、定常運転時にも、精度よく塩酸の密度を測定することができるようになる。
【００２８】
なお、この実施の形態では、金属に対して腐食性を有する流体として塩酸の密度測定を行う場合について説明したが、金属に対して腐食性を有さない流体も含めて他の流体の密度測定を行うことも可能である。本実施の形態では、高精度の絞りを必要としないので、横配管１，縦配管２，槽３として樹脂材料の使用が可能であり、塩酸や硝酸などの金属に対して腐食性を有する流体の密度測定を行う場合、高価な耐酸性用金属を用いなくとも安価な耐酸性用樹脂で対応することができる点で優れている。
【００２９】
樹脂を使用する場合、材料強度上、構造強度に不安のないことが望まれる。特に、差圧式密度計では、上下に差圧を取り出すための枝管が必要で、流れを安定させるために必要な上流の直管距離を配慮すると背の高い構造になる。これでは、構造強度上、不安定である。また、流体は塩酸なので、装置の破損による流体洩れは絶対に許されない。この装置では、この点を考慮して、次のような工夫が施されている。
【００３０】
Δｐ１について、（５）式から分かるとおり、管内径がｄ１＞＞ｄ２としてあることで流速は非常に遅い。それ故、槽３の上流直管距離が無くても、それによる密度測定誤差は小さく、無視できる。図１（ａ）を見て分かるように、ほとんど槽３の高さのみで纏めることができている。
【００３１】
Δｐ２について、上流側ダイアフラム７１からの圧力Ｐ２１を取り出した後、曲がり管９があり、下流側ダイアフラム７２からの圧力Ｐ２２を測定している。曲がり管９で旋回流が生じるが、距離Ｌを流れる間に流れが安定し、差圧Δｐ２に誤差を生じない。圧力Ｐ２１を取り出す枝管２１から次の圧力Ｐ２２を取り出す枝管２２までの高さのみでよいので、装置を小型に纏めることができている。Δｐ３について、配管が水平の場合、直管距離を作ることは、垂直に比べ容易である。このため、上流側取り出し口を水平管から取り出す構造としている。
【００３２】
なお、この実施の形態では、槽３を縦配管２の後に連結するようにしたが、横配管１の前に連結するようにしてもよい。
また、この実施の形態では、差圧計本体７に対してダイアフラム７１を、差圧計本体６に対してダイアフラム６２を設けるようにしたが、ダイアフラム７１を省略し、ダイアフラム６２からの検出圧力Ｐ３２をダイアフラム７１による検出圧力Ｐ２１として差圧計本体７へ与えるようにしてもよい。また、これとは逆に、ダイアフラム６２を省略し、ダイアフラム７１からの検出圧力Ｐ２２をダイアフラム６２からの検出圧力Ｐ３２として差圧計本体６へ与えるようにしてもよい。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように本発明によれば、密度変化の大きい時、すなわちプロセスの立ち上げ時や停止時には、径の小さい水平直管および垂直直管からの検出差圧に基づいて追従性よく被測定流体の密度が測定され、密度変化の小さい時、すなわちプロセスの定常運転時には、径の十分大きい垂直管（槽）からの検出差圧に基づいて精度良く被測定流体の密度が測定されるものとなり、樹脂製の管を用い、プロセスの立ち上げ時や停止時だけではなく、定常運転時にも精度よく、金属に対して腐食性を有する液体の密度を測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る密度測定装置を用いたプロセスの要部を示す側面図およびこの密度測定装置における横配管部を下側から見た部分平面図である。
【図２】特願平３−１５９９４６号（特公平８−１０１８６号）に示された従来の密度計の原理図である。
【符号の説明】
１…横配管（水平直管）、２…縦配管（垂直直管）、３…槽（垂直管）、１１，１２，２１，２２，３１，３２…枝管、４…流入口、５…流出口、６，７，８…差圧計本体、６１，６２，７１，７２，８１，８２…ダイアフラム、９…曲がり管。
【図１】
0003588272.tif 000002
【図２】
0003588272.tif 000003