(57)【要約】  流量測定モジュールは、制御弁組立体によって制御される流路内を流れる流体の流量を測定するために、制御弁組立体と共に動作するように構成されている。この流量測定モジュールは、制御弁組立体内のインテリジェントポジショナと通信可能に接続されており、流路内の絞り部材の位置に関するデータを受信する。絞り部材の位置は、少なくとも１つの関連するバルブサイジング係数を識別するために用いられる。この流量測定モジュールは、流路内の絞り部材の位置に関連する、検出された上流圧力、検出された下流圧力、およびバルブサイジング係数に基づいて、流路内を流れる流体の流量を決定する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路内を移動可能な絞り部材を有するバルブ組立体と、流路内の絞り部材の近似位置を検出してこれに対応する代表の位置フィードバック信号を生成するように構成されたインテリジェントポジショナとを備える制御弁組立体によって制御される流路内を流れる流体の流量を測定すべく、該制御弁組立体と共に動作するように構成された流量測定モジュールであって、
前記絞り部材の上流の検出された圧力を代表する上流圧力信号を受信するように構成された第１通信ポートと、
前記絞り部材の下流の検出された圧力を代表する下流圧力信号を受信するように構成された第２通信ポートと、
前記流路内の絞り部材の近似位置を代表する位置フィードバック信号を受信するように構成された第３通信ポートと、
前記第１通信ポート、第２通信ポートおよび第３通信ポートと通信可能に接続される、コンピュータ読み取り可能媒体に格納されるコンピュータプログラムによって動作するように構成されたコントローラとを備えており、
該コンピュータプログラムは、
前記受信された位置フィードバック信号に基づいて、前記コントローラにバルブサイジング係数を決定するように命令する第１ルーチンと、
前記決定されたバルブサイジング係数、前記受信された上流圧力信号、および前記受信された下流圧力信号に基づいて、前記コントローラに流路内を流れる流体の流量を決定するように命令する第２ルーチンとを備える、流量測定モジュール。
【請求項２】
前記コントローラに通信可能に接続するメモリをさらに備えており、
該メモリは、前記絞り部材の複数の異なる位置と、複数のバルブサイジング係数とを記憶するように構成されており、
前記メモリ内において前記絞り部材の各記憶された位置が少なくとも１つのバルブサイジング係数に関連付けられてなる、請求項１記載の流量測定モジュール。
【請求項３】
前記メモリは、ソフトウエアのダウンロードによって前記絞り部材の複数の位置のそれぞれに関連する複数のバルブサイジング係数を受信するように構成されている、請求項２記載の流量測定モジュール。
【請求項４】
前記メモリは、ユーザインタフェースを通じてユーザによって個別に入力されるような前記絞り部材の複数の位置のそれぞれに関連する複数のバルブサイジング係数を受信するように構成されている、請求項２記載の流量測定モジュール。
【請求項５】
前記メモリは、第１制御弁に用いる第一のセットの選択可能なバルブサイジング係数と、第２制御弁に用いる第二のセットの選択可能なバルブサイジング係数とを記憶するように構成されている、請求項２記載の流量測定モジュール。
【請求項６】
前記第１ルーチンは、前記位置フィードバック信号によって示されるような前記絞り部材の近似位置に関連する前記バルブサイジング係数を、前記メモリ内から検索するように前記コントローラに命令すべくなしてある、請求項２記載の流量測定モジュール。
【請求項７】
前記第１ルーチンは、前記絞り部材の位置と関連するバルブサイジング係数との関係を表現する式を用いて該絞り部材の近似位置に関連する前記バルブサイジング係数を決定するように前記コントローラに命令すべくなしてある、請求項１記載の流量測定モジュール。
【請求項８】
前記絞り部材の上流の圧力を検出してこれに対応する前記上流圧力信号を生成するように構成された第１圧力センサをさらに備える、請求項１記載の流量測定モジュール。
【請求項９】
前記絞り部材の下流の圧力を検出してこれに対応する前記下流圧力信号を生成するように構成された第２圧力センサをさらに備える、請求項１記載の流量測定モジュール。
【請求項１０】
前記第３通信ポートは、流路内を通る流体の流れを中断させることなく前記インテリジェントポジショナに通信可能に接続されるように構成されている、請求項１記載の流量測定モジュール。
【請求項１１】
流路内を通る流体の流れを中断させることなく制御システムに通信可能に接続されるように構成された第３通信ポートをさらに備える、請求項１記載の流量測定モジュール。
【請求項１２】
流路内を流れる流体の比重を記憶するように構成されたメモリをさらに備える、請求項１記載の流量測定モジュール。
【請求項１３】
前記第１ルーチンは、前記受信された位置フィードバック信号に基づいて液体用バルブサイジング係数を決定するように前記コントローラに命令すべくなしてある、請求項１記載の流量測定モジュール。
【請求項１４】
前記第２ルーチンは、
流路内を流れる液体の流量をＱ、絞り部材の近似位置に関連する液体用バルブサイジング係数をＣｖ、検出された上流圧力をＰ１、検出された下流圧力をＰ２、および液体の比重をＧで表したときに、
【数１】
2005516192.tif 000005
で表される、流路内を流れる液体の流量Ｑを代表する流量信号を出力するように前記コントローラに命令すべくなしてある、請求項１３記載の流量測定モジュール。
【請求項１５】
流路内を流れる流体の検出された温度を代表する温度信号を受信するように構成された第４通信ポートをさらに備える、請求項１記載の流量測定モジュール。
【請求項１６】
前記絞り部材の上流の流体の温度を検出してこれに対応する温度信号を生成するように構成された温度センサをさらに備える、請求項１５記載の流量測定モジュール。
【請求項１７】
流体の温度を記憶するように構成されているメモリをさらに備える、請求項１記載の流量測定モジュール。
【請求項１８】
前記第１ルーチンは、前記受信された位置フィードバック信号に基づいて気体用バルブサイジング係数を決定するように前記コントローラに命令すべくなしてある、請求項１記載の流量測定モジュール。
【請求項１９】
前記第１ルーチンは、前記受信された位置フィードバック信号に基づいて液体用バルブサイジング係数を決定して前記決定された気体用バルブサイジング係数および前記決定された液体用バルブサイジング係数に基づいてバルブの回復係数を生成するように前記コントローラに命令すべくなしてある、請求項１８記載の流量測定モジュール。
【請求項２０】
前記第１ルーチンは、前記受信された位置フィードバック信号に基づいて気体用バルブサイジング係数およびバルブの回復係数を決定するように前記コントローラに命令すべくなしてある、請求項１記載の流量測定モジュール。
【請求項２１】
前記第２ルーチンは、流路内を流れる気体の流量をＱ、前記絞り部材の近似位置に関連する気体用バルブサイジング係数をＣｇ、前記絞り部材の近似位置に関連するバルブの回復係数をＣ１、気体の比重をＧ、流路内を流れる流体の温度をＴ、前記検出された上流圧力をＰ１、前記検出された下流圧力をＰ２で表したときに、
【数２】
2005516192.tif 000006
で表される、流路内を流れる気体の流量を代表する流量信号を出力するように前記コントローラに命令すべくなしてある、請求項２０記載の流量測定モジュール。
【請求項２２】
流路内を移動可能な絞り部材を有するバルブ組立体と、流路内の絞り部材の近似位置を検出してこれに対応する代表の位置フィードバック信号を生成するように構成されたインテリジェントポジショナとを備える制御弁組立体によって制御される流路内を流れる流体の流量を測定する方法であって、
メモリ、第１通信ポート、第２通信ポートおよび第３通信ポートと通信可能に接続されるコントローラを有する流量測定モジュールを設けるステップと、
該流量測定モジュールを前記第１通信ポートを通じて前記インテリジェントポジショナに通信可能に接続するステップと、
前記第１通信ポートを通じて流路内の前記絞り部材の近似位置を代表する位置フィードバック信号を受信するステップと、
前記第２通信ポートを通じて前記絞り部材の上流の検出された圧力を代表する上流圧力信号を受信するステップと、
前記第３通信ポートを通じて前記絞り部材の下流の検出された圧力を代表する下流圧力信号を受信するステップと、
前記受信された位置フィードバック信号によって示されるような前記絞り部材の近似位置に基づいて、バルブサイジング係数を決定するステップと、
前記検出された上流圧力、前記検出された下流圧力および前記決定されたバルブサイジング係数に基づいて流路内を流れる流体の流量を決定するステップとを有する、方法。
【請求項２３】
前記コントローラと通信可能に接続されたメモリ内に絞り部材の複数の位置を記憶し、前記メモリ内に複数のバルブサイジング係数を記憶するステップをさらに備えており、
前記メモリ内において、前記絞り部材の記憶された各位置が少なくとも１つのバルブサイジング係数に関連付けられている、請求項２２記載の方法。
【請求項２４】
前記バルブサイジング係数を決定する前記ステップは、前記メモリから、前記位置フィードバック信号によって示されるような前記絞り部材の近似位置に関連する前記バルブサイジング係数を検索するステップをさらに有する、請求項２３記載の方法。
【請求項２５】
ソフトウエアのダウンロードによって前記絞り部材の複数の位置のそれぞれに関連する前記複数のバルブサイジング係数を受信するステップをさらに有する、請求項２３記載の方法。
【請求項２６】
ユーザインターフェースを通じてユーザによって個別に入力されるような前記絞り部材の複数の位置のそれぞれに関連する前記複数のバルブサイジング係数を受信するステップをさらに有する、請求項２３記載の方法。
【請求項２７】
第１制御弁に用いる第一のセットの選択可能なバルブサイジング係数と、第２制御弁に用いる第二のセットの選択可能なバルブサイジング係数とを記憶するステップをさらに有する、請求項２３記載の方法。
【請求項２８】
第１制御弁が流路内の流体の流れを制御するために用いられる場合、前記第一の記憶されたセットの選択可能なバルブサイジング係数を選択するステップをさらに有する、請求項２７記載の方法。
【請求項２９】
前記バルブサイジング係数を決定する前記ステップは、前記絞り部材の位置とこれに関連するバルブサイジング係数との関係を表現する式を用いて、前記絞り部材の近似位置に関連するバルブサイジング係数を決定するステップをさらに有する、請求項２２記載の方法。
【請求項３０】
前記流量測定モジュールを前記インテリジェントポジショナと通信可能に接続する前記ステップは、流路内を通る流体の流れを中断させることなく前記第１通信ポートを通じて前記流量測定モジュールを前記インテリジェントポジショナに通信可能に接続することを含む、請求項２２記載の方法。
【請求項３１】
流路内を流れる流体の流れを中断させることなく前記流量測定モジュールを前記制御システムに通信可能に接続するステップをさらに有する、請求項２２記載の方法。
【請求項３２】
前記コントローラと通信可能に接続されるメモリ内に、流路内を流れる流体の比重を記憶するステップをさらに有する、請求項２２記載の方法。
【請求項３３】
前記バルブサイジング係数を決定する前記ステップは、前記受信された位置フィードバック信号によって示される前記絞り部材の近似位置に基づいて液体用バルブサイジング係数を決定することをさらに含む、請求項２２記載の方法。
【請求項３４】
流路内を流れる流体の流量を決定する前記ステップは、
液体の流量をＱ、前記絞り部材の近似位置に関連する液体用バルブサイジング係数をＣｖ、前記検出された上流圧力をＰ１、前記検出された下流圧力をＰ２、液体の比重をＧで表したときに、
【数３】
2005516192.tif 000007
で表される、液体の流量Ｑを決定することをさらに含む、請求項３３記載の方法。
【請求項３５】
前記コントローラと通信可能に接続された第４通信ポート通じて、流路内を流れる流体の検出された温度を代表する温度信号を受信するステップをさらに有する、請求項２２記載の方法。
【請求項３６】
前記コントローラと通信可能に接続されるメモリ内に、流路内を流れる流体の近似温度を記憶するステップをさらに有する、請求項２２記載の方法。
【請求項３７】
前記バルブサイジング係数を決定する前記ステップは、前記受信された位置フィードバック信号によって示される前記絞り部材の近似位置に基づいて気体用バルブサイジング係数を決定することをさらに含む、請求項２２記載の方法。
【請求項３８】
前記バルブサイジング係数を決定するステップは、
前記受信された位置フィードバック信号によって示される前記絞り部材の近似位置に基づいて液体用バルブサイジング係数を決定するステップと、
前記決定された気体用バルブサイジング係数および前記決定された液体用バルブサイジング係数に基づいてバルブの回復係数を生成するステップとを有する、請求項３７記載の方法。
【請求項３９】
前記バルブサイジング係数を決定する前記ステップは、前記受信された位置フィードバック信号によって示されるような前記絞り部材の近似位置に基づいて気体用バルブサイジング係数およびバルブの回復係数を決定することをさらに含む、請求項２２記載の方法。
【請求項４０】
流路内を流れる流体の流量を決定する前記ステップは、
流路内を流れる気体の流量をＱ、前記絞り部材の近似位置に関連する気体用バルブサイジング係数をＣｇ、前記絞り部材の近似位置に関連するバルブの回復係数をＣ１、気体の比重をＧ、流路内を流れる流体の温度をＴ、前記検出された上流圧力をＰ１、前記検出された下流圧力をＰ２で表したときに、
【数４】
2005516192.tif 000008
で表される、流路内を流れる気体の流量Ｑを決定することをさらに含む、請求項３９記載の方法。
【請求項４１】
制御弁組立体内の流路内を流れる流体の流量を測定する方法であって、
流路内を移動可能な絞り部材と、流路内の該絞り部材の位置を検出するように構成されたインテリジェントポジショナとを備える制御弁組立体を設けるステップと、
流量測定モジュールを設けるステップと、
流路内を流れる流体の流れを中断させることなく前記流量測定モジュールを前記インテリジェントポジショナと通信可能に接続するステップと、
前記絞り部材の上流の検出された圧力、前記絞り部材の下流の検出された圧力、および流路内の前記絞り部材の前記検出された位置に基づいて、流路内を流れる流体の流量を代表する流量信号を生成するステップとを有する、方法。
【請求項４２】
前記流量信号を生成する前記ステップは、前記絞り部材の上流の検出された圧力、前記絞り部材の下流の検出された圧力、流路内の前記ｂ絞り部材の検出された位置、および流路内を流れる流体の温度に基づいて流量信号を生成することをさらに含む、請求項４１記載の方法。
【請求項４３】
前記流路内を流れる流体の温度を検出するステップをさらに有する、請求項４２記載の方法。
【請求項４４】
流路内を流れる流体の近似温度を代表する流体温度を提供するステップをさらに有する、請求項４２記載の方法。
【請求項４５】
前記絞り部材の検出された位置に基づいてバルブサイジング係数を決定するステップをさらに有する、請求項４１記載の方法。
【請求項４６】
絞り部材の各位置が複数の記憶されたバルブサイジング係数の少なくとも１つに関連付けられる、流体測定モジュールのメモリ内に、絞り部材の複数の位置に関連する複数のバルブサイジング係数を記憶するステップと、
流路内の前記絞り部材の検出された位置に関連する前記バルブサイジング係数を検出するステップとをさらに有する、請求項４５記載の方法。
【請求項４７】
絞り部材の位置と関連するバルブサイジング係数との関係を代表する式を決定するステップと、
前記決定された式により流路内の前記絞り部材の検出された位置に関連するバルブサイジング係数を決定するステップとをさらに有する、請求項４５記載の方法。
【請求項４８】
前記絞り部材の検出された位置に基づいて前記バルブサイジング係数を決定する前記ステップは、液体用バルブサイジング係数を決定することをさらに含む、請求項４５記載の方法。
【請求項４９】
液体用サイジング式を用いて流路内の液体の流量を決定するステップをさらに有する、請求項４５記載の方法。
【請求項５０】
前記絞り部材の検出された位置に基づいて前記バルブサイジング係数を決定する前記ステップは、気体用バルブサイジング係数を決定することをさらに含む、請求項４５記載の方法。
【請求項５１】
前記絞り部材の検出された位置に基づいて前記バルブサイジング係数を決定する前記ステップは、バルブの回復係数を決定することをさらに含む、請求項５０記載の方法。
【請求項５２】
気体用サイジング式を用いて流路内の気体の流量を決定するステップをさらに有する、請求項５１記載の方法。
【請求項５３】
流量測定モジュール内に前記決定された流量を記憶するステップをさらに有する、請求項２２記載の方法。
【請求項５４】
ローカルデータ検索装置を通じて前記記憶された流量を検索するステップをさらに有する、請求項５３記載の方法。
【請求項５５】
流量測定モジュールの表示装置に、前記決定された流量を表示させるステップをさらに有する、請求項２２記載の方法。
【請求項５６】
前記流量測定モジュールをプロセス制御システム装置に通信可能に接続して該プロセス制御システム装置に前記決定された流量を通信するステップをさらに有する、請求項２２記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に、制御弁組立体の付属品に関するものであり、さらに詳細には、制御弁組立体によって制御される流路内を流れる流体の流量を測定するための流量測定モジュールおよび方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば化学プロセス産業、精製産業、食品産業および飲料産業のようなプロセス制御産業では、制御弁組立体が、例えばガス、蒸気、水、化学化合物のようなプロセス内の流体の流量特性を制御するために日常的に用いられている。プロセス制御システムは、一般的に、このプロセス制御システムの効率的な運転を確保しようとして、プロセス制御パラメータを監視するとともに制御弁組立体のようなプロセス制御装置の動作を調整する。制御弁組立体によって制御される配管内を流れる流体の流量を監視することがしばしば望まれる。さらに運転条件またはプロセス操作の変化によって、事前に監視を要求しなかった配管内の流体の流量を監視することが要求され得る。
【０００３】
典型的な制御弁組立体は、一般的に、バルブ組立体、アクチュエータ、および、インテリジェントポジショナ、空気ポジショナまたはアナログ電子ポジショナのようなポジショナを備える。この制御弁組立体は、一般的に、入口と出口によって定義され、入口から出口に延びる流路を備える。絞り部材は、一般的に、流路内に配置されており、流体の流量を制御する。バルブステムまたはバルブシャフトは、一般的に、絞り部材をアクチュエータに接続する。このアクチュエータは、絞り部材を流路内に漸増的に移動させたり流路内から外側に漸増的に移動させ、これによって流路内を流れる流体の流量を制御している。インテリジェントポジショナを用いる場合、一般的に、入力としてプロセス制御システムから位置設定値を受け付け、これに対応して、流路内の絞り部材の位置を変えるべく、アクチュエータの動作を制御している。このインテリジェントポジショナは、しばしば、バルブステムまたはバルブシャフトに結合するフィードバック結合を有しており、流路内の絞り部材の位置を示すためのフィードバック信号を生成する。この位置フィードバック信号は、一般的に、インテリジェントポジショナを通じてプロセス制御システムに所定の経路で送り返される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
多数の異なる従来の流量測定装置は、弁組立体の制御中に、配管内を流れる流体の流量を測定するために利用される。そのような従来の流量測定装置の一例として、渦流量計、磁気流量計、コレオリ式流量計、並びに、差圧伝送器およびオリフィスプレートを挙げることができる。しかしながら運転中のプロセス制御システムに従来の流量測定装置を設置する際に、プロセス制御運転が停止されることがしばしば要求される。プロセス制御運転の停止が、しばしば、生産量の減量に伴う財政的な損失となる。さらに従来の流量制御装置を設置することは、一般的に配管内にこの流量測定装置を接続するために配管を切断したり溶接型フランジを設ける必要があるので、しばしば複雑で、時間がかかり、また高価である。
【０００５】
別の従来の流量測定装置は、概して流量測定能力を有するインテリジェントポジショナから構成される。典型的にはこのような従来のインテリジェントポジショナは、使用されているバルブ組立体に関連するバルブサイジング係数に絞り部材の位置を相関させるデータベース、表または式を備える。この従来のインテリジェントポジショナは、絞り部材の位置を代表する位置のフィードバック信号を用いて、関連のバルブサイジング係数を決定する。流量は、この決定されたバルブサイジング係数、絞り部材の上流の圧力および下流の圧力、並びに他の流体特性に基づいて導き出される。しかしながら、既存のプロセス制御システム内に流量測定能力を有するインテリジェントポジショナを設けることは、時間が掛かるとともに比較的高価な手法となり得る。このような設置プロセスは、一般的に、プロセス制御運転の停止を必要とし、しばしば有効な生産時間の損失を生じさせる。また流量測定能力を有するインテリジェントポジショナのコストは、動作ポジショナよりも高くなくても、依然として高価でありそうである。さらに既存のポジショナまたは制御弁組立体全体は、流量測定能力を有するインテリジェントポジショナを設置する前に、しばしばそっくり取り除かれ、これにより機能プロセス制御装置が無駄になる。
【０００６】
すなわちコスト的に有効な流量測定装置が必要とされる。この装置は比較的容易に既存のプロセス制御システム内に設置されてこのプロセス制御システムと共に運転されうる。とともにこの装置は、設置中のプロセス制御システム内の運転の中断を最小限にするまたは取り除くとともに機能プロセス制御装置の不必要な廃棄を最小限にしうる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の態様によれば、流量測定モジュールは、制御弁組立体によって制御される流路内を流れる流体の流量を測定すべく、制御弁組立体と共に動作するように構成されている。この制御弁組立体は、流路内を移動可能な絞り部材を含むバルブ組立体と、流路内の絞り部材の近似位置を検出してこれに対応する代表位置フィードバック信号を生成するように構成されたインテリジェントポジショナとを備える。この流量測定モジュールは、前記絞り部材の上流の検出された圧力を代表する上流圧力信号を受信するように構成された第１通信ポートと、前記絞り部材の下流の検出された圧力を代表する下流圧力信号を受信するように構成された第２通信ポートと、流路内の前記絞り部材の近似位置を代表する位置フィードバック信号を受信する様に構成された第３通信ポートとを備える。コントローラは、第１通信ポート、第２通信ポートおよび第３通信ポートに通信可能に接続されており、コンピュータ読み取り可能媒体に格納されるコンピュータプログラムに従って動作するように構成されている。このコンピュータプログラムは、前記受信した位置フィードバック信号に基づいてバルブサイジング係数を決定するように前記コントローラに命令する第１ルーチンと、前記決定されたバルブサイジング係数、前記受信された上流圧力信号、および前記受信された下流圧力信号に基づいて、流路内を流れる流体の流量を代表する流量信号を出力するように前記コントローラに命令する第２ルーチンとを備える。
【０００８】
本発明の別の態様によれば、制御弁組立体によって制御される流路内を流れる流体の流量を測定する方法が提供される。この制御弁組立体は、流路内を移動可能な絞り部材を含むバルブ組立体と、流路内の絞り部材の近似位置を検出してこれに対応する代表位置フィードバック信号を生成するように構成されたインテリジェントポジショナとを備える。この方法は、メモリ、前記第１通信ポート、前記第２通信ポート、および前記第３通信ポートと通信可能に接続されたコントローラを有する流量測定モジュールを提供するステップを含む。流量測定モジュールは、第１通信ポートを通じてインテリジェントポジショナと通信可能に接続されており、第１通信ポートを通じて流路内の絞り部材の近似位置を代表する位置フィードバック信号を受信する。この流量測定モジュールは、第２通信ポートを通じて絞り部材の上流の検出された圧力を代表する上流圧力信号を受信するとともに、第３通信ポートを通じて絞り部材の下流の検出された圧力を代表する下流圧力信号を受信する。前記バルブサイジング係数は、前記位置フィードバック信号によって示されるような、絞り部材の近似位置に基づいて決定される。流路内を流れる流体の流量は、検出された上流圧力、検出された下流圧力、および決定されたバルブサイジング係数に基づいて決定される。
【０００９】
本発明のさらに別の態様によれば、制御弁組立体によって制御される流路内を流れる流体の流量を測定する方法が提供される。この方法は、流路内を移動可能な絞り部材を含むバルブ組立体と、流路内の絞り部材の位置を検出するように構成されたインテリジェントポジショナとを備える制御弁組立体を設けるステップ、および、流量測定モジュールを設けるステップを備える。この流量測定モジュールは、流路内の流体の流れを中断させることなく、インテリジェントポジショナに通信可能に接続される。流路内を流れる流体の流量を代表する流量信号は、検出された絞り部材の上流圧力および下流圧力、並びに、検出された流路内の絞り部材の位置に基づいて生成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は、本発明の実施形態による、動作するように構成されうるプロセス制御システム１２の一区画内の制御弁組立体１０の一例を示している。この制御弁組立体１０は、一般的に、制御システム１３から受信したコマンドに従って、配管内の例えば液体や気体のような流体の流れを制御する。
【００１１】
制御弁組立体１０は、一般的に、上流の配管１６に接続される入口部１４と、下流の配管２０に接続される出口部１８と、当該入口部１４と出口部１８との間の範囲で定義される流路とを備える。オリフィス２２は、入口部１４と出口部１８との間の流体の連絡を確立する。例えばバルブディスクやバルブプラグのような絞り部材２４は、一般的に、バルブステムやバルブシャフト２６の底部に取り付けられ、しばしば前記オリフィス２２の下方に配置される。この絞り部材２４は、一般的に、オリフィス２２を完全に閉塞するようにサイジングされており、絞り部材２４が最下点から上方に移動するときに流路内を流れる流体の流れは次第に減少し、最終的に絞り部材２４がオリフィス２２を塞いだときに当該流れは止まる。他方、前記絞り部材２４が最上点から次第に下降させると、オリフィス２２の閉塞されない面積または開口面積が次第に増加し、これにより流路内の流体の流れが増加する。結果として、オリフィス２２の開口面積は、順次配管内を流れる流体の流量に関連付けられる、流路内の絞り部材２４の位置に直接関連付けられる。アクチュエータ２８は、バルブステムまたはバルブシャフト２６の他端部に作動可能に接続されており、典型的には絞り部材２４の位置を上下するのに必要な力を与える。なお、特別の絞り部材を有するバルブ組立体の特別な構成が記載されているが、これに代わる制御弁の構成およびこれに代わるタイプの絞り部材の使用は本発明の範囲内であることも考慮されるべきである。
【００１２】
また制御弁組立体１０は、制御システム１３およびアクチュエータ２８の両方に通信可能に接続されるインテリジェントポジショナ３０を備える。この制御システム１３は、典型的には、適切なプロセス動作を実現すべく、プロセス動作を監視するとともに、絞り部材２４の適切な位置にするための、制御弁組立体１０に対する位置設定値を出力する。この位置設定値の信号は、典型的には、インテリジェントポジショナ３０によって受信されて処理される。この位置設定値の信号に応答して、インテリジェントポジショナ３０は、絞り部材２４を適切な位置にするために作動されるアクチュエータ２８に位置決め信号を出力する。フィードバック結合３２は、一般的に、バルブステムまたはバルブシャフト２６をインテリジェントポジショナ３０に接続し、その結果このインテリジェントポジショナ３０は流路内の絞り部材２４の実際の位置を追跡ことができる。インテリジェントポジショナ３０は絞り部材２４の検出された位置に基づいてこれに対応する位置フィードバック信号を生成する。この位置フィードバック信号は、要求に基づいて制御システム１３へ送られうる。
【００１３】
図２を参照すると、本発明の実施形態による、プロセス制御システム１２の一区画内の制御弁組立体１０と共に動作する流量測定モジュール３４の概略図が示されている。一実施形態では、圧力センサ３６、３８が前記入口部１４または絞り部材２４の上流または下流に設けられている。この圧力センサ３６は、絞り部材２４の上流の圧力を検出してこれに対応する上流圧力信号Ｐ１を生成する。同様に、圧力センサ３８は前記出口１８または絞り部材２４の下流の圧力を検出してこれに対応する下流圧力信号Ｐ２を生成する。さらに、温度センサ４０が前記入口１４または絞り部材２４の上流に設けられており、流れる流体の温度を検出してこれに対応する温度信号Ｔを生成する。なお、流体の温度測定はしばしば絞り部材２４の上流で行われるが、絞り部材２４の下流で行われても構わない。
【００１４】
流量測定モジュール３４は、圧力センサ３６、３８、温度センサ４０、および、制御システム１３をインテリジェントポジショナ３０に通信可能に接続するデータラインと通信可能に接続されている。これにより流量測定モジュール３４は、データラインへの通信リンクを通じてインテリジェントポジショナ３０から、流路内の絞り部材２４の検出された位置を代表する位置フィードバック信号を要求することが可能となる。代替の実施形態では、流量測定モジュール３４は、インテリジェントポジショナ３０に直接通信可能に接続されている。
【００１５】
インテリジェントポジショナ３０は、インテリジェントポジショナ３０を制御システム１３に通信可能に接続するために用いられるのと同じラインに、ループ電力が供給される。流量測定モジュール３４がインテリジェントポジショナ３０と制御システム１３とを接続するラインに直接接続される場合、流量測定モジュール３４は制御システム１３によってループ電力が供給され得る。別の実施形態に係る流量測定モジュール３４は、例えば直流電源装置、太陽電池、バッテリユニットのような独立の電源から電力が供給されうる。
【００１６】
さらに、流量測定モジュール３４は、所望ならば、一旦流量測定モジュール３４が流路内を流れる流体の流量を決定すると、その流量が制御システム１３に通信されうるように、制御システム１３と通信可能に直接的に接続されうる。代替の実施形態では、流量測定モジュール３４から制御システム１３に向かう通信が、インテリジェントポジショナ３０を経由して制御システム１３に向かう経路で行われても良く、これによって流量測定モジュール３４と制御システム１３との間の直接的な通信リンクを形成する必要がなくなる。この制御システム１３は、プロセス制御システム内の別の装置、例えばポンプや別のコントローラのような装置に流量データを送ることが可能となる。そのような装置は、適切なプロセス制御運転を実現しようとして自らのパラメータを調整するために前記流量データを用いてもよい。別の実施形態では、この流量データが流量測定モジュール３４内のメモリにローカルに記憶される。記憶された流量データはローカルデータ検索装置、例えば携帯情報端末（ＰＤＡ）、ラップトップまたは他のポータブルデータ検索装置のような装置を経由して流量測定モジュール３４から直接検索されうる。さらに別の実施形態では、流量測定モジュール３４は、配管内を流れる流体の決定された流量を表示する表示装置を備えても良い。また別の実施形態では、流量測定モジュール３４が他の装置、例えばプロセス制御システム１２内のポンプや他のコントローラ、あるいは装置監視システムのような装置と通信可能に接続されても良い。これにより流量測定モジュール３４は上記のような装置へ流量データを通信することが可能となる。
【００１７】
別の実施形態では、流量測定モジュール３４は構成部品として圧力センサ３６、３８および温度センサ４０を備えることもできる。バルブ組立体を含む稼働中の制御システムが、流量測定モジュール３４を設置する時点でまだ上流圧力、下流圧力および流体温度に対して監視されるように構成されていないときであっても、圧力センサ３６、３８および温度センサ４０をプロセス動作を中断させることなく設置することができる。
【００１８】
図３を参照すると、本発明の実施形態による流量測定モジュール３４を示すブロック図が示されている。この流量測定モジュール３４は、一般的に、メモリ４４および複数の通信ポート４６−５４に通信可能に接続される、例えばプロセッサのようなコントローラ４２を備える。このメモリ４４は多数のソフトウエアモジュールを備えており、これらのソフトウエアモジュールは、動作ソフトウエアモジュール５６と、絞り部材の複数の異なる位置、複数のバルブサイジング係数、および絞り部材の各記憶された位置と一または複数のバルブサイジング係数との関係を記憶するデータモジュール５８とを備える。他の実施形態では、絞り部材の異なる位置とバルブサイジング係数との関係を表現する式に基づいたソフトウエア動作を含むソフトウエアモジュールは、絞り部材の検出された位置に関連するバルブサイジング係数を決定するために用いられる。また制御弁組立体１０内を流れる流体の比重は、データモジュール５８内に記憶されうる。さらに流路内を流れる流体の温度が比較的一定の場合には、比較的一定の温度を有する弁も記憶されうる。これによって温度センサを省略することが可能となる。
【００１９】
通信ポート４６、４８、５０、５２、５４は、圧力センサ３６、３８、温度センサ４０、インテリジェントポジショナ３０、および制御システム１３にそれぞれ通信可能に接続されている。個々の通信ポートが特別の装置との通信専用として記述されているが、流量測定モジュール３４と通信する多数の装置によって通信ポートを分けることを含む代替の通信の構成も本発明の範囲内にあることはもちろんである。さらに動作ソフトウエアおよび異なるタイプのデータを記憶するための代替のメモリの構成も本発明の範囲内であることはもちろんである。
【００２０】
インタフェースポート６０は、コントローラ４２と通信可能に接続されている。このインタフェースポート６０は、データモジュール５８内にバルブサイジング係数、絞り部材の位置、流量係数の式、比重のデータおよび／または比較的一定の温度をダウンロードするソフトウエアを実行するために用いられうる。代替の実施形態では、ソフトウエアのダウロードは、通信ポート５４を通じて制御システム１３によって実行されうる。別の実施形態では、必要なデータはローカルユーザインタフェースまたはリモートユーザインタフェースを通じてユーザによって手動で流量測定モジュール３４内に入力される。さらに別の実施形態では、多数の異なる制御弁組立体に対する絞り部材の異なる位置に関連する異なるセットのバルブサイジング係数または流量係数の式は、メモリ４４に予め記憶されうる。そのときユーザは、使用されているタイプの制御弁組立体に用いるための、適切なセットの予め記憶されたバルブサイジング係数または流量係数の式を選択することができる。同様に、多数の異なるタイプの流体に対する比重もメモリ４４内に予め記憶される。それからユーザは、制御弁組立体４４内に流れる流体のタイプを入力する選択肢を有しており、この選択により適切な比重が流量測定モジュール３４によって自動的に選択される。
【００２１】
流量測定モジュール３４は、一般的に、インテリジェントポジショナ３０から上流圧力信号Ｐ１、下流圧力信号Ｐ２、温度信号Ｔおよび位置フィードバック信号を入力として受け付け、これに対して制御弁組立体１０内を流れる流体の流量を代表する流量信号を出力として生成する。流量信号は、一般的に、制御システム１３に出力される。周知のように、バルブサイジング係数は、一般的に、制御弁の個々の型およびサイズに対応して実験的に決定される。流路内の絞り部材の位置とバルブサイジング係数との関係は、一般的に、曲線で表すことができる。そのような曲線の一例が図４に示されている。例えば、絞り部材が位置ＰＯＳ１にあるとき、関連するバルブサイジング係数はＣ１である。流量測定モジュール３４は、使用される特別の制御弁の型およびサイズに対する絞り部材の多数の異なる位置に関連するバルブサイジング係数を、メモリ４４内に記憶する。このようなデータは表形式で記憶されている。アプリケーションの特別な要求に応じて、流体測定モジュール３４内に記憶され入力される、バルブサイジング係数と絞り部材の位置との関係は、変化し得る。流体温度が比較的一定の場合には、制御弁組立体１０内を流れる流体の比重および流体温度は、メモリ４４内に入力されて記憶されうる。代替の実施形態では、絞り部材の位置とバルブサイジング係数との関係を表現する式が推論されうる。ソフトウエアモジュールは、このような推論された式に関連する動作を実行するようにプログラミングされうる。換言すれば、このソフトウエアモジュールは入力として絞り部材の位置を受け付け、推論された式を用いて関連するバルブサイジング係数を決定する。
【００２２】
前述したように、位置フィードバック信号は流路内の絞り部材の検出された位置を代表する。流量測定モジュール３４は、本質的に、絞り部材の受け付けた位置データを用いて、関連するバルブサイジング係数を決定する。制御弁組立体１０内を流れる流体が液体である場合には、絞り部材の検出された位置に関連する液体用バルブサイジング係数Ｃｖが一般的に決定される。
【００２３】
制御弁組立体１０内を流れる流体が気体である場合、流路内を流れる気体の流量を決定するために、２種類のバルブサイジング係数、すなわち気体用バルブサイジング係数Ｃｇとバルブの回復係数Ｃ１とが要求される。バルブ組立体に関連するバルブの回復係数Ｃ１が絞り部材の広範囲の位置に対して比較的一定の場合には、この比較的一定のバルブの回復係数Ｃ１が一般的にメモリに記憶され、絞り部材の検出された位置に関連する気体用バルブサイジング係数Ｃｇが流量測定モジュール３４によって決定される。
【００２４】
バルブの回復係数Ｃ１が絞り部材の位置によって変化する場合には、絞り部材の異なる位置に関連するバルブの回復係数Ｃ１の値がメモリに記憶されうる。別の実施形態では、絞り部材の異なる位置とバルブの回復係数Ｃ１との関係を表現する式に関連する動作を実行するようにプログラミングされたソフトウエアモジュールを、絞り部材の検出された位置に関連するバルブの回復係数Ｃ１を得るために用いることができる。とにかく、絞り部材の検出された位置を受け付けると、流量測定モジュール３４は関連する気体用バルブサイジング係数Ｃｇと関連するバルブの回復係数Ｃ１とを決定する。
【００２５】
なお、特別の流体の場合には、バルブの回復係数Ｃ１は、一般的に、気体用バルブサイジング係数Ｃｇを液体用バルブサイジング係数Ｃｖで割ることにより決定される。それゆえ、代替の実施形態では、液体用バルブサイジング係数Ｃｖおよび気体用バルブサイジング係数Ｃｇの両方を、特別な制御弁組立体１０内を流れる気体に対して入力することが可能となる。流量測定モジュール３４は、関連する気体用バルブサイジング係数Ｃｇを関連する液体用バルブサイジング係数Ｃｖで割ることにより、絞り部材の特別の位置に対するバルブの回復係数Ｃ１を決定することができる。別の実施形態では、ソフトウエアモジュールは、絞り部材の位置と液体用バルブサイジング係数Ｃｖとの関係、および、絞り部材の位置と気体用バルブサイジング係数Ｃｇとの関係を代表する式によってプログラミングされうる。それから流量測定モジュールは、絞り部材の検出された位置に関連する液体用バルブサイジング係数Ｃｖと気体用バルブサイジング係数Ｃｇとを決定すべく、前記プログラミングされたソフトウエアモジュールを用いることが可能である。
【００２６】
図５を参照すると、流量測定モジュールを用いて制御弁組立体１０によって制御される配管内を流れる流体の流量を測定する方法が記載されている。流量測定モジュール３４は、ステップ６２で選択され、ステップ６４で通信ポート５２を経由してインテリジェントポジショナ３０に通信可能に接続される。インテリジェントポジショナ３０と流量測定モジュール３４との間の通信リンクは、通常のプロセス動作の間に確立されうる。さらに、流量測定モジュール３４と制御システム１３との間の通信は、インテリジェントポジショナ３０を経由してなされる。代替の実施形態では、ダイレクト通信リンクが流量測定モジュール３４と制御システム１３との間に形成されている。
【００２７】
絞り部材の複数の位置は、ステップ６６で流量測定モジュール３４のメモリ４４内に入力され記憶される。記憶のため入力される絞り部材の位置の数は、要求される流量測定の精度のレベルに依存し、アプリケーションからアプリケーションまで変化させることができる。ステップ６８では、複数のバルブサイジング係数が、絞り部材の各位置が少なくとも１つのバルブサイジング係数に関連付けられるようにメモリ４４に入力され記憶される。例えば、測定される流体が液体である場合、液体用バルブサイジング係数が絞り部材の全ての位置に対して入力される。測定される流体が気体であってバルブの回復係数Ｃ１が比較的一定である場合、比較的一定のバルブの回復係数Ｃ１の値と、絞り部材の各位置に関連する気体用バルブサイジング係数Ｃｇの値とが入力される。バルブの回復係数Ｃ１が絞り部材の位置とともに変化する場合、バルブの回復係数Ｃ１の値および気体用バルブサイジング係数Ｃｇの値が、絞り部材の各位置に対して入力される。また別の実施形態では、特別のタイプのバルブ組立体に対してその絞り部材の位置に関連する気体用バルブサイジング係数Ｃｇおよび液体用バルブサイジング係数Ｃｖの各値が入力され、当該絞り部材の検出された位置に関連するバルブの回復係数Ｃ１の値が得られる。
【００２８】
一実施形態では、絞り部材の各位置に関連するバルブサイジング係数は、ソフトウエアのダウンロードによって流量測定モジュールのメモリ４４に入力される。このソフトウエアダウンロードはインタフェースポート６０を通じて実行されるか、または通信ポート５４を通じて制御システム１３によって実行され得る。また絞り部材の位置は、ソフトウエアのダウンロードによって流量測定モジュールのメモリ４４に入力される。別の実施形態では、絞り部材の位置およびこれに関連するバルブサイジング係数は、インタフェースポート６０を通じて流量測定モジュール３４と通信可能に接続されたローカルユーザインタフェースまたはリモートユーザインタフェースを経由してユーザによって個別に入力されうる。
【００２９】
また別の実施形態では、絞り部材の複数の位置に関連する異なるセットのバルブサイジング係数は、制御弁組立体の異なる型およびサイズに対応して流量測定モジュール４４内に予め記憶されうる。この実施形態では、ユーザは所望の制御弁組立体の型及びサイズを入力する選択肢を有しており、この選択により流量測定モジュール３４は自動的に正しいセットのバルブサイジング係数を選択する。
【００３０】
代替の実施形態では、特別のタイプのバルブ組立体に対する、（ｉ）絞り部材の異なる位置と液体用バルブサイジング係数Ｃｖとの関係、（ii）絞り部材の異なる位置と気体用バルブサイジング係数Ｃｇとの関係、および／または（iii）絞り部材の異なる位置とバルブの回復係数Ｃ１との関係が引き出されうる。特別の流量測定アプリケーションに関する流体特性および流れ特性に依存して、必要な式が流体測定モジュール３４内のソフトウエアモジュール内にプログラミングされている。これにより流量測定モジュール３４は、絞り部材の検出された位置に基づいて必要バルブサイジング係数を決定する能力を備える。
【００３１】
また測定されるべき流体の比重は、ステップ７０で流体測定モジュール３４に入力される。代替の実施形態では、多数の異なる流体の比重が流量測定モジュール３４に予め記憶されており、その結果、ユーザが適切な流体を選択するだけで流体測定モジュール３４は自動的に適切な比重を選択しうる。
【００３２】
流体測定モジュール３４は、ステップ７２において、通信ポート５２を通じてインテリジェントポジショナ３０から、流路内の絞り部材２４の近似位置を代表する位置フィードバック信号を要求して受信する。ステップ７４では、絞り部材２４の上流の検出された圧力を代表する上流圧力信号Ｐ１が、通信ポート４６を通じて流量測定モジュール３４によって受信される。ステップ７６では、絞り部材２４の下流の検出された圧力を代表する下流圧力信号Ｐ２が通信ポート４８を通じて受信される。ステップ７８では、制御弁組立体１０内を流れる流体の温度を代表する温度信号Ｔが通信ポート５０を通じて流量測定モジュール３４によって受信される。流路内を流れる流体の温度が比較的一定である場合、比較的一定の温度の値がメモリに記憶され、特別な流量測定アプリケーションに必要なときに検索される。
【００３３】
ステップ８０では、位置フィードバック信号により受信された絞り部材の位置データに基づいて、コントローラ４２は適切なバルブサイジング係数を決定する。例えば測定される流体が液体である場合、絞り部材に関連する液体用バルブサイジング係数Ｃｖが検索される。測定される流体が気体である場合、流体測定アプリケーションの特質により、絞り部材の検出された位置に関連する、液体用バルブサイジング係数Ｃｖ、気体用バルブサイジング係数Ｃｇ、および／またはバルブの回復係数Ｃ１のうち１または複数が決定される。
【００３４】
ステップ８２では、流量測定モジュールが、検出された上流圧力Ｐ１、検出された下流圧力Ｐ２、流体温度Ｔ、および決定されたバルブサイジング係数に基づいて、配管内を流れる流体の流量を決定する。なお、流体温度Ｔは、測定する流体がガスである場合に流量を決定するときにのみ必要となる。さらに詳しく述べると、測定される流体が液体である場合、流量測定モジュール３４は、以下に示す液体用サイジング式を用いて流量Ｑを計算する。
【００３５】
【数５】
2005516192.tif 000003
ここで、Ｑは液体の流量、Ｃｖは絞り部材の検出された位置に関連する液体用バルブサイジング係数、Ｐ１は検出された上流圧力、Ｐ２は検出された下流圧力、Ｇは液体の比重である。
【００３６】
測定される流体が気体である場合、流量測定モジュール３４は、以下に示す気体用サイジング式を用いて流量Ｑを計算する。
【００３７】
【数６】
2005516192.tif 000004
ここで、Ｑは気体の流量、Ｃｇは絞り部材の検出された位置に関連する気体用バルブサイジング係数、Ｃ１が、絞り部材の検出された位置に関連するバルブの回復係数、Ｇは気体の比重、Ｔは流体温度、Ｐ１は検出された上流圧力、Ｐ２は検出された下流圧力である。
【００３８】
一旦、流量測定モジュール３４が制御弁組立体１０内の流路内を流れる流体の流量を決定すると、流量測定モジュール３４は決定された流量を代表する流量信号を生成する。この流量信号は所望ならば制御システム１３に送られる。
【００３９】
代替の実施形態では、流量測定モジュールは、アナログポジショナを備える制御弁組立体とともに動作するように構成されている。制御システムは、しばしば、プロセス動作を監視するとともに、配管内を流れる流体の流量を制御すべく、制御弁組立体に位置設定値を送信して流路内の絞り部材を適切な位置にする。流量測定モジュールは、制御システムによって送信される位置設定値のデータを受信すべく、制御システムに通信可能に接続されている。流量測定モジュールは、位置設定値の受信されたデータを用いて流路内の絞り部材の近似位置を決定する。それからこの絞り部材の近似位置は、前述した方法で関連するバルブサイジング係数を決定し流量を引き出すために用いられる。
【００４０】
なお、液体用サイジング式および気体用サイジング式を用いて流量を決定する方法を述べたが、スチームに対するサイジング式、種々の会社によるサイジング式、種々の工業標準に基づいたサイジング式のような当業者にとって明らかなる別の態様のサイジング式を用いることも、本発明の範囲内であると考えられる。さらに流量測定モジュールが、例えば粘度、フラッシュ、キャビテーションなどのような因子に基づいた修正を要するバルブサイジング係数を用いて運転するように構成された流量測定モジュールも、本発明の範囲内であると考えられる。
【００４１】
また本発明の他の変更および代替の実施形態も、前述の記載から当業者にとって明かであるだろう。この記載は説明としてのみ解釈されるべきであり、当業者に本発明の実施に係るベストモードを教示することを目的としている。この構成及び方法の詳細は、本発明の精神を逸脱することなく、実質的に変更することができ、特許請求の範囲から生じる全ての変更実施形態の独占的な使用が留保されている。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施形態による、動作するように構成されうるプロセス制御システムの一区画内の制御弁組立体の一例を示す概略図である。
【図２】本発明の実施形態による、プロセス制御システムの一区画内の制御弁組立体と共に動作する流量測定モジュールの概略図である。
【図３】本発明の実施形態による流量測定モジュールを示すブロック図である。
【図４】制御弁組立体に対する、絞り部材の位置と、バルブサイジング係数との関係の一例を示すグラフである。
【図５】発明の実施形態に従い流路内を流れる流体の流量を測定する方法を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
【００４３】
１０  制御弁組立体
１２  プロセス制御システム
１３  制御システム
１４  入口部
１６、２０  配管
１８  出口部
２２  オリフィス
２４  絞り部材
２６  バルブステムまたはバルブシャフト
２８  アクチュエータ
３０  インテリジェントポジショナ
３２  フィードバック結合
３４  流量測定モジュール
３６、３８  圧力センサ
４０  温度センサ
４２  コントローラ
４４  メモリ
４６、４８、５０、５２、５４  通信ポート
５６  動作ソフトウエアモジュール
５８  データモジュール
６０  インタフェースポート
【図１】
2005516192.tif 000009
【図２】
2005516192.tif 000010
【図３】
2005516192.tif 000011
【図４】
2005516192.tif 000012
【図５】
2005516192.tif 000013
【国際調査報告】
2005516192.tif 000014
2005516192.tif 000015
2005516192.tif 000016