(57)【要約】  プロセス流体測定システム（１０）は、管内を流れるプロセス流体に関する第１の測定値を与える。管内のプロセス流体流速度の付加的な測定値は第１の測定値と組み合わされ、それにより流体の質量流量または密度もしくはその両方、または他の流体パラメータの簡略的な示度が得られる。ある実施形態では、第１の測定値は差圧測定値である。また、ある実施形態では、高度なプロセス流体測定または計算のためのさまざまな圧力または差圧のセンサまたは伝送器と連結する構成自在の端子（４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃ、４１Ｄ）を有する渦流量計（４０）が提供される。
2007530951.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
管内のプロセス流体の質量流量を測定するシステムであって、
前記管と連結するように構成され前記管内の流動障害の上流および下流のプロセス流体圧を測定するための差圧センサを有する差圧測定フィールド装置と、
前記管に連結され前記管内を流れる流体の速度を検知するように構成された流体速度装置と、
差圧と速度との情報を組み合わせて流体流特性の示度を与えるように構成された流体流回路とを備えるシステム。
【請求項２】
前記流体流特性が密度であることを特徴とする、請求項１のシステム。
【請求項３】
前記流体流特性が質量流量であることを特徴とする、請求項１のシステム。
【請求項４】
前記流体速度装置が渦検知装置であることを特徴とする、請求項１のシステム。
【請求項５】
前記流体流特性が前記差圧測定フィールド装置により計算されることを特徴とする、請求項１のシステム。
【請求項６】
前記フィールド装置がプロセス産業の標準的通信プロトコルにより前記流体流特性を通信することを特徴とする、請求項１のシステム。
【請求項７】
前記流体速度装置が前記差圧測定フィールド装置と通信することを特徴とする、請求項１のシステム。
【請求項８】
前記通信がプロセス産業の標準的通信プロトコルに従うものであることを特徴とする、請求項７のシステム。
【請求項９】
前記流動障害が渦を発生させるような形状であることを特徴とする、請求項１のシステム。
【請求項１０】
前記流体速度装置が前記渦の周波数を検知することを特徴とする、請求項９のシステム。
【請求項１１】
前記流体速度装置が、前記流動障害の下流に配置された渦変位部材を備えることを特徴とする、請求項１０のシステム。
【請求項１２】
前記渦変位部材が前記管の片方側に連結されていることを特徴とする、請求項１１のシステム。
【請求項１３】
前記渦変位部材が縦方向ビームと、渦からの圧力を受ける薄肉領域とを備えていることを特徴とする、請求項１２のシステム。
【請求項１４】
前記渦変位部材が前記縦方向ビームおよび前記薄肉領域に連結された横方向ビームをさらに備えていることを特徴とする、請求項１３のシステム。
【請求項１５】
圧電検知素子に連結自在の柱部をさらに備え、前記柱部の変位が前記素子により検出されるようになっている、請求項１３のシステム。
【請求項１６】
プロセス流体温度の示度を与えるように配置された温度センサをさらに備える、請求項１のシステム。
【請求項１７】
前記流体流特性が熱質量流量を含むことを特徴とする、請求項１６のシステム。
【請求項１８】
前記流体流特性が流体組成であることを特徴とする、請求項１６のシステム。
【請求項１９】
前記流体流特性が蒸気の性質であることを特徴とする、請求項１６のシステム。
【請求項２０】
前記流体速度装置が渦流量計フィールド装置であることを特徴とする、請求項１のシステム。
【請求項２１】
前記差圧センサが一対の圧力センサ、すなわち前記障害の上流に配置されている第１の圧力センサと前記障害の下流に配置されている第２の圧力センサとにより形成され、前記一対の圧力センサの少なくとも一方が半導体物質で形成されることを特徴とする、請求項１のシステム。
【請求項２２】
前記圧力センサの少なくとも一方が前記プロセス流体と直接接触するように配置されていることを特徴とする、請求項２１のシステム。
【請求項２３】
前記半導体物質がサファイアであることを特徴とする、請求項２１のシステム。
【請求項２４】
管内のプロセス流体の特性を測定するシステムであって、
前記管と連結するとともに前記管内を流れる前記流体の速度を測定するように構成され複数の構成自在の端子を有する渦検知フィールド装置を備え、
前記渦検知フィールド装置が前記複数の構成自在の端子を介して測定された流体速度と流体変数とに基づいて前記流体の前記特性を計算することを特徴とするシステム。
【請求項２５】
前記複数の構成自在の端子と前記フィールド装置内のマイクロプロセッサとに連結されたスイッチをさらに備え、前記マイクロプロセッサが前記構成自在の端子を前記渦検知フィールド装置内のアナログデジタル変換器に選択自在に連結するように前記スイッチを制御することを特徴とする請求項２４のシステム。
【請求項２６】
前記流体変数の示度を与えるように前記複数の構成自在の端子に動作可能に連結された流体センサをさらに備える請求項２４のシステム。
【請求項２７】
前記流体センサが、流動障害前後の差圧を測定するように配置された差圧センサであることを特徴とする、請求項２６のシステム。
【請求項２８】
前記プロセス流体の前記特性が密度であることを特徴とする、請求項２４のシステム。
【請求項２９】
前記プロセス流体の前記特性が質量流量であることを特徴とする、請求項２４のシステム。
【請求項３０】
前記流体センサが圧力伝送器であることを特徴とする、請求項２６のシステム。
【請求項３１】
前記圧力伝送器が差圧伝送器であることを特徴とする、請求項３０のシステム。
【請求項３２】
前記渦検知フィールド装置が、前記圧力伝送器の通信ループを通じて連結された抵抗器を備えることを特徴とする、請求項３０のシステム。
【請求項３３】
前記流体センサが抵抗器ブリッジ回路内に配置されていることを特徴とする、請求項２６のシステム。
【請求項３４】
前記渦検知フィールド装置が前記流体センサに電力を供給することを特徴とする、請求項２６のシステム。
【請求項３５】
前記差圧センサが差圧の示度を電圧の形態で前記渦検知フィールド装置に与えることを特徴とする、請求項２７のシステム。
【請求項３６】
前記渦検知フィールド装置と前記流体センサとがプロセス産業の標準的通信プロトコルに従って通信することを特徴とする、請求項２６のシステム。
【請求項３７】
前記プロトコルがコントローラエリアネットワークプロトコルであることを特徴とする、請求項３６のシステム。
【請求項３８】
前記渦検知フィールド装置がプロセス産業の標準的通信プロトコルに従って前記流体流特性を通信することを特徴とする、請求項２４のシステム。
【請求項３９】
前記渦検知フィールド装置が前記流動する流体内に渦を発生させ測定する鈍頭物体を備えており、前記差圧センサが前記鈍頭物体の上流に配置された第１の圧力センサを用いて第１の圧力を測定し、前記鈍頭物体の下流に配置された第２の圧力センサを用いて第２の圧力を測定することを特徴とする、請求項２７のシステム。
【請求項４０】
前記渦検知フィールド装置に動作可能に連結されプロセス流体温度の示度を与えるように配置された温度センサをさらに備える請求項２４のシステム。
【請求項４１】
前記プロセス流体の前記特性が熱質量流量であることを特徴とする、請求項４０のシステム。
【請求項４２】
前記プロセス流体の前記特性が流体組成であることを特徴とする、請求項４０のシステム。
【請求項４３】
前記プロセス流体の前記特性が蒸気性質であることを特徴とする、請求項４０のシステム。
【請求項４４】
前記差圧センサが一対の圧力検知素子を備えており、各素子が半導体物質で形成されていることを特徴とする、請求項２７のシステム。
【請求項４５】
前記半導体物質がサファイアであることを特徴とする、請求項４４のシステム。
【請求項４６】
前記差圧センサが前記プロセス流体と直接接触するように配置されていることを特徴とする、請求項２７のシステム。
【請求項４７】
前記渦検知フィールド装置が、絶対圧センサと、ゲージ圧センサと、差圧センサとからなるグループから選択される流体センサに前記複数の構成自在の端子を介して連結するように構成されていることを特徴とする、請求項２４のシステム。
【請求項４８】
管内のプロセス流体の質量流量を検知するためのフィールド装置であって、
前記流体が流れるにつれて前記流体内に渦を発生させるように前記管内に位置決め可能な渦発生器と、
上流流体圧を検知するように前記渦発生器の上流に配置された第１の圧力センサと、
前記渦発生器の下流に配置され渦および下流圧の示度を与える第２の圧力センサとを備え、
前記フィールド装置が前記第１および第２の圧力センサ信号から差圧を計算し、前記第２の圧力センサ信号から渦周波数を計算することを特徴とするフィールド装置。
【請求項４９】
前記第１および第２の圧力センサの少なくとも一方が半導体物質で形成されることを特徴とする、請求項４８のシステム。
【請求項５０】
第１および第２の圧力センサの少なくとも一方が前記プロセス流体と直接接触するように配置されていることを特徴とする、請求項４８のシステム。
【請求項５１】
前記半導体物質がサファイアであることを特徴とする、請求項４８のシステム。
【請求項５２】
管内を流れるプロセス流体の流量をフィールド装置により測定する方法であって、
前記流体内に流動障害を設けるステップと、
前記障害の上流および下流位置の間の差圧を検知するステップと、
流体速度を測定するステップと、
前記差圧と前記測定された速度とに基づいて前記流体の質量流量を前記フィールド装置において計算するステップとを含む方法。
【請求項５３】
ノッチフィルタを有する渦流量計を調整する方法であって、
前記渦流量計を用いて流体流量測定値を得るステップと、
差圧測定フィールド装置を用いて流体流量測定値を得るステップと、
前記渦測定流量が前記差圧測定流量と一致するように前記渦流量計の前記ノッチフィルタを調整するステップとを含む方法。
【請求項５４】
プロセス流体測定システムに関する診断を行なう方法であって、
プロセス流体を内包する管に連結された渦流量計フィールド装置により第１のプロセス流体流速出力を発生させるステップと、
前記管に連結された差圧流量計フィールド装置により第２のプロセス流体流速出力を発生させるステップと、
前記第１および第２の出力を比較して前記比較に基づき診断出力を発生させるステップとを含む方法。
【請求項５５】
プロセス流体容器内のプロセス流体の特性を測定するシステムであって、
前記プロセス流体容器と連結するとともに導管内における流動障害前後の差圧を測定する差圧測定フィールド装置と、
前記導管内を流れる流体の速度を検知するように前記導管に連結されたプロセス流体速度を測定する手段とを備え、
差圧と測定された速度とが前記特性の示度を与えるように組み合わされることを特徴とするシステム。
【請求項５６】
管内のプロセス流体の特性を検知するフィールド装置であって、
前記流体が流れるにつれて前記流体内に渦を発生させるように前記管内に位置決め可能な渦発生器と、
前記流体内の前記渦を検出するように配置された渦センサと、
前記渦センサによる前記流体内の渦の検出に基づいて流体流量を計算するように前記渦センサに動作可能に連結された制御装置と、
前記制御装置に連結された出力を有するアナログデジタル変換器と、
前記制御装置と前記アナログデジタル変換器の入力とに連結され流体センサから第１の入力を受けて前記制御装置による前記第１の入力の前記アナログデジタル変換器への選択的連結を可能とする複数の構成自在の端子とを備え、
前記制御装置が、前記構成自在の端子を介して前記流体センサにより測定された前記流体流量と流体変数とに基づいて前記プロセス流体特性を計算するように構成されていることを特徴とするフィールド装置。
【請求項５７】
前記流体センサが、前記管内の流動障害前後の差圧を測定するように配置された差圧センサであることを特徴とする、請求項５６のフィールド装置。
【請求項５８】
前記差圧センサの作動電力が前記スイッチを通じて供給されることを特徴とする、請求項５６のフィールド装置。
【請求項５９】
前記スイッチの第３の入力に連結され前記スイッチを介してプロセス流体温度の示度を前記制御装置に与えるように構成された温度センサをさらに備える請求項５６のフィールド装置。
【請求項６０】
前記流体特性が流体質量流量と流体密度と熱容量と熱流量と流体性質と流体組成とからなるグループから選択されることを特徴とする、請求項５６のフィールド装置。
【請求項６１】
前記フィールド装置が前記複数の構成自在の端子を介して圧力センサまたは差圧センサと連結するように構成されていることを特徴とする、請求項５６のフィールド装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、産業用流体流量測定システムに関し、より詳細には、質量流量測定または他の流体物性測定を行なうシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
流体の質量流量はさまざまな技法を用いて推定することができる。例えば、質量流量の算定基礎として流動差圧測定技法を用いることが可能である。一般に、オリフィスプレートなどの障害装置は流体流動を部分的に阻害して、上流と下流との間に差圧を発生させる。この差圧を測定することにより、流量の示度を得ることができる。一般に、差圧測定により質量流量情報を得るためには付加的な情報が必要である。具体的には、流体の組成および温度に関する情報をあらかじめ入手しておくか、それらを測定しておくかしなければならない。これは、少なくとも部分的には、差圧が流量だけでなく流体密度にも基づいており、流体密度は温度の関数であるという事実によるものである。さらに、流動、層流、または乱流の性質が差圧の読取り値に影響することもある。
【０００３】
質量流量は、渦流量計システムを基礎として用いても計算することができる。渦流量計システムは、産業プロセス制御分野において、導管を通る流体の流量を直接測定するために用いられる。渦流量計は通常、測定すべき流体を搬送する管または導管内に挿入される。産業用用途には石油、化学、パルプおよび紙、鉱業および材料、油およびガスが含まれる。測定すべき流体は多くの場合有害であり、可燃性あるいは爆発性の場合もある。これらの流体は、流量測定を困難にする凝縮物、沈殿物または他の特性を有することもある。これらの用途では、安全性および測定精度は決定的に重要である。
【０００４】
渦流量計の作動原理は、カルマン（Ｋａｒｍａｎ）効果として知られる渦流出現象に基づくものである。流体が鈍頭物体を通過すると、鈍頭物体の各々の側に沿ってその後方に互い違いに流れる小さい渦動または渦が分離、発生する。これらの渦により、センサで検出される変動圧力の領域が生じる。渦発生の周波数は実質的に流体の速度に比例する。
【０００５】
一般に、渦流量計では体積による流量出力が得られる。非常に簡単に言えば、この体積による流量出力は、導管を通る流体の流れ速度（渦周波数に比例）に導管の面積を乗じた積である。質量流量出力が得られる渦流量計システムも知られている。一般に、そのようなシステムは、導管から流れる流体の温度および絶対圧力を測定するものである。さらに、流体の性質または組成もしくはその両方に関するいくつかの仮定を用いることにより、流体の質量流量の近似的計算を行なうことが可能である。一般に、この計算は単に近似的なものであり、組成が変化すると誤差が生じやすくなる。さらに、関係する計算の相対的複雑性により、リアルタイムで連続して計算を行なうことは困難である。
【０００６】
差圧測定および渦測定の両方を用いて流体の質量流量を測定すれば、これらの計算が大幅に簡略化され、密度および質量流量を容易に得ることができる。このような方法は２００２年７月２５日に発行された米国特許公報ＵＳ２００２／００９６２０８に記述されている。この特許公報の開示は有効な出発点となるものであるが、そのような原理を実世界で効果的に実施するまでには多くのなすべき作業が残っている。例えば、計算それ自体はより簡単になるが、当該公報では２つの測定装置の必要性が述べられている。すなわち、差圧流量測定素子と渦流量測定素子とが必要である。従って、エンドユーザにとって、このような実世界での計算簡易性のコストは、現在必要な設備コストの潜在的に２倍となる。関連する実質的なコスト増大なしに差圧および渦測定の利点を実現できるシステムがあれば、産業界はそのように有利な技術をより容易に採用することができる。
【特許文献１】米国特許公報ＵＳ２００２／００９６２０８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
プロセス流体測定システムは、管内を流れるプロセス流体に関する第１の測定値を与える。管内のプロセス流体流速度の付加的な測定値は第１の測定値と組み合わされ、それにより流体の質量流量または密度もしくはその両方、または他の流体パラメータの簡略的な示度が得られる。ある実施形態では、第１の測定値は差圧測定値である。また、ある実施形態では、高度なプロセス流体測定または計算のためのさまざまな圧力または差圧のセンサまたは伝送器と連結する構成自在の端子を有する渦流量計が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の実施形態は、差圧流量測定と渦流量測定との組み合わせによって得られる一定の相乗作用を利用するものである。本発明の実施形態は渦流量測定を併用した差圧流量測定に関して記述されるが、当業者によれば、プロセス流体に対する第１の測定を流れ速度の直読と組み合わせることが可能などのような用途においても本発明の実施形態を適用可能であると認識されるであろう。従って、本明細書に記述される渦流量測定は本発明の実施形態による流体速度測定の単なる一例である。
【０００９】
図１は流体質量流量測定システム１０の概略図である。システム１０は差圧流量測定システム１２と渦流量測定システム１４とを備えており、その双方が制御室１６に連結されている。簡略化のため、制御室１６は電圧源および抵抗として簡潔に模式化されている。装置１２および１４は、矢印２０の方向に流体が中を流れるプロセス流体管１８に取り付けられているものとして概略的に図示されている。
【００１０】
差圧流量測定装置１２は、ミネソタ州イーデンプレーリーのローズマウント社（Ｒｏｓｅｍｏｕｎｔ  Ｉｎｃ．）から入手可能な商品名３０５１ＳＦＡプロバー流量計（３０５１ＳＦＡ  Ｐｒｏ  Ｂａｒ  Ｆｌｏｗｍｅｔｅｒ）として販売されているものを含む任意の適切な装置とすることができる。渦流量測定装置１４も任意の適切な装置とすることができる。ある実施形態では、装置１４はローズマウント社から商品名８８００Ｃとして入手可能なものである。両方の装置１２および１４は、一般的に風雨を避けられない環境における動作に適しているという点でフィールド装置と見なされる。従って、装置１２および１４はプロセス産業での動作に関連する極端な外部温度、振動、さらに電磁干渉（ＥＭＩ）や無線周波干渉（ＲＦＩ）に耐えることができる。フィールド装置１２および１４は適切なプロセス産業の標準的通信プロトコルの１つを通じて相互に通信すること、または制御室１６と通信すること、もしくはその両方と通信することが可能である。好ましくは、装置１２および１４はファウンデーション（商標）フィールドバス（ＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ  Ｆｉｅｌｄｂｕｓ）プロトコルに従って通信を行なう。フィールドバスプロトコルは、接続されたフィールド装置に電力供給が可能な完全デジタルプロトコルである。従って、このようなプロセス産業の標準的通信プロトコルを用いると現場の配線が大幅に簡略化される。
【００１１】
本発明の実施形態では、流量情報を得るためある形態または別の形態で差圧測定を用いるものがある。この流量情報には、適切な方式で検知可能な流体速度情報が付加される。差圧流量測定のための式は以下の通りである。
Ｑ＝ＣΔＰ＊√ΔＰ／ρ  （式１）
ＣΔＰ＝Ｄ２Ｋ  （式２）
式中、Ｑは体積流量（立方フィート毎秒）、ＣΔＰは管内径（ＩＤ）に従属する差圧流量較正定数、ΔＰは差圧、ρは密度（質量ポンド毎立方フィート）、Ｄ２は管内径の自乗（平方フィート）、Ｋは定数
【００１２】
渦体積流量の式は以下の通りである。
Ｑ＝ＣＶ＊ｆ  （式３）
ＣＶ＝ｄ＊Ａ／Ｓｔ  （式４）
式中、ｆは渦流出周波数（ヘルツ）、ｄはシェダーバープローブ（フィート）、ＣＶは渦測定器較正定数、Ａは管の内面積（平方フィート）、Ｓｔはストローハル数
【００１３】
渦体積流量Ｑに流体密度を乗算することにより質量流量の測定値が得られる。差圧流量と渦体積流量の体積測定条件を組み合わせると式５が得られる。
ＣＶ＊ｆ＝ＣΔＰ＊√ΔＰ／ρ  （式５）
これらの式を密度について解くと式６が得られる。
ρ＝（ＣΔＰ／ＣＶ）２＊ΔＰ／ｆ２  （式６）
最後に、（前記渦に関する式を用いて）質量流量について解くと以下の式７が得られる。
ｍ＝（ＣΔＰ／ＣＶ）２＊ΔＰ／ｆ２＊ＣＶ＊ｆ  （式７）
これを簡単にすると式８となる。
ｍ＝ＣΔＰ２／ＣＶ＊ΔＰ／ｆ  （式８）
【００１４】
図２は渦流量計２２が差圧流量測定装置１２と共に使用されている別の構成を示している。図２は、渦流量測定装置２２が差圧流量測定装置の上流に配置可能であることを示している。また、２つのフィールド装置は一緒に連結可能なので、これらフィールド装置のいずれかまたは両方においてマイクロプロセッサなどの流体流回路により質量流量または密度の計算、もしくは質量流量および密度の計算を行なうことができる。しかし、各フィールド装置はその測定情報を単に報告するものであり、質量流量または密度の最終的計算、質量流量および密度の最終的計算は、例えば制御室１６内の制御装置により遠隔的に実行可能なものと考えられる。
【００１５】
図３Ａから図３Ｅは、付加的なセンサ情報を受信するために渦流量伝送器を連結するさまざまな方式を示している。図３Ａから図３Ｅに示すさまざまな実施形態では、さまざまな種類のセンサまたは検知システムもしくはその両方を渦検知フィールド装置に連結する複数の構成自在の端子４１Ａから４１Ｄが示されている。そのような構成自在の端子は４つ図示されているが、任意の適切な数としてもよい。さらに、端子４１Ａから４１Ｄをアナログデジタル変換器５０に連結するスイッチ５２が示されているが、マイクロプロセッサによりある端子４１Ａから４１Ｄを変換器５０に選択的に連結するため、任意の適切な構成要素を使用することができる。
【００１６】
図３Ａは、端子４１Ｂおよび４１Ｃを使用して差圧または圧力伝送器４２に連結された代表的な渦流量計４０の概略図である。この実施形態では、端子４１Ａおよび４１Ｄは使用されない。本発明の実施形態は付加的なセンサまたはフィールド装置に連結された渦流量計４０を備えており、これにより流体速度測定値と組み合わせ可能な付加的なプロセス流体情報を取得し、質量流体流量など、より高いレベルの流動パラメータを得ることができる。渦流量計４０は、ループ通信モジュール４６を介してプロセス通信ループ４４に連結するように構成されている。ループ通信モジュール４６により流量計４０は、ファウンデーションフィールドバス、ハート（商標）（ＨＡＲＴ）、プロフィバスＰＡ（Ｐｒｏｆｉｂｕｓ−ＰＡ）、モドバス（Ｍｏｄｂｕｓ）、コントローラエリアネットワーク（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ：ＣＡＮ）などを含みそれらに限定されないようなプロセス産業の標準的プロトコルに従ってプロセス通信ループと通信することが可能である。モジュール４６はマイクロプロセッサ４８に連結され、さらにマイクロプロセッサ４８はアナログデジタル変換器５０およびスイッチ５２に連結される。
【００１７】
マイクロプロセッサ４８は、アナログデジタル変換器５０がプロセス変数伝送器４２に関するデジタル情報を供給できるようにスイッチ５２を制御する。伝送器４２は例えば流体圧力（絶対圧またはゲージ圧）または差圧を測定することができる。マイクロプロセッサ４８は構成自在の端子４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃおよび４１Ｄの１つを変換器５０に選択的に連結するためスイッチ５２を適切に動作させ、それによりマイクロプロセッサ４８による選択に基づき構成自在のインタフェースが得られ、その結果、渦流量計は別のセンサからのプロセス流体に関する付加的情報を取得することができる。電流源５７は、伝送器４２に対する電圧を測定するため電流を抵抗に流す必要がある場合に使用することが可能である。
【００１８】
一般に差圧および渦による方法で流量を検知する際には温度情報は必要ではないが、流体の温度を知ることにより熱容量、熱流、流体の性質または組成もしくはそれらの組み合わせなど、より高いレベルの流動パラメータを容易に得ることができる。渦流量計４０のマイクロプロセッサ４８には当該技術において既知の適切な様態で渦流量センサ５４および温度センサ５６を連結し、流量および温度パラメータの情報を流量計に供給するようにしてもよい。伝送器４２は電源５８に連結してもよく、その場合、伝送器４２は流体に関する差圧などの関係するパラメータに基づき伝送器４２を流れる電流を制御する。伝送器４２によって制御された電流は抵抗６０によって電圧に変換される。これにより、マイクロプロセッサ４８はアナログデジタル変換器５０およびスイッチ５２を用いて伝送器４２を介し関係する付加的パラメータを測定することができる。
【００１９】
図３Ｂは、構成自在の端子４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃおよび４１Ｄをすべて使用して圧電抵抗圧力センサ６２に連結された渦流量計４０の概略図である。流量計４０の多くの構成要素は図３Ａに関して述べたものと同様であり、類似の構成要素は同様に番号付けされている。図３Ｂは、ブリッジ７２の４つの異なるノード６４、６６、６８および７０に連結されたスイッチ５２を示している。圧電抵抗圧力変換器６２はブリッジ７２内のノード６８と７０の間に配置される。スイッチ５２を通じて電流源５７を適切に作動させることにより、圧電抵抗圧力変換器の抵抗のきわめて高精度の示度をマイクロプロセッサ４８が得られるようにブリッジ７２を駆動することができる。圧電抵抗圧力変換器は流体流量に関する圧力の示度を与えるものである。
【００２０】
図３Ｃは、構成自在の端子４１Ｂ、４１Ｃおよび４１Ｄを使用して圧力変換器または差圧変換器７４に連結された渦流量計４０の概略図である。図３Ｃと前出の図面との主要な相違点は、スイッチ５２を変換器７４に連結する方式である。具体的には、スイッチ５２はそれぞれ構成自在の端子４１Ｂおよび４１Ｄに連結された正および負の電力線７６および７８を介して変換器７４に全面的に電力を供給する。流量計４０と圧力変換器７４との間の通信は、端子４１Ｃに連結された信号線８０を通じ適切な既知の方法に従って行なわれる。変換器７４は、線７６および７８を介して供給される電力により動作可能で、かつ流体流量に関して関係するパラメータについて線８０を通じ電気的示度を与えることが可能な任意の適切な装置とすることができる。
【００２１】
図３Ｄは、端子４１Ｃおよび４１Ｂにそれぞれ連結された線８２、８４を介して圧力伝送器または差圧伝送器８０に連結された渦流量計４０の概略図である。伝送器８０の動作電力が線８２および８４を介して供給されない実施形態では、伝送器８０は線８８、９０を介して電源８６に連結することが好ましい。図３Ｄに示す実施形態では、渦流量計４０は、マイクロプロセッサ４８をスイッチ５２に連結するコントローラエリアネットワーク（ＣＡＮ）制御モジュール９２を備えている。ＣＡＮ制御モジュール９２により、マイクロプロセッサ４８は既知のコントローラエリアネットワークプロセス通信プロトコルに従い線８２および８４を通じて圧力伝送器８０と通信し、伝送器８０から例えば圧力または差圧の示度を受信することができる。
【００２２】
図３Ｅは、端子４１Ｂおよび４１Ｃを介して圧力歪みゲージセンサ９４に連結された渦流量計４０の概略図である。スイッチ５２は圧力歪みゲージセンサ９４に連結され、センサ９４は歪みに応じて変化する抵抗９６を備えている。測定される歪みは流体の圧力に応じてたわむ部材によるものである。従って、マイクロプロセッサ４８は抵抗９６の抵抗値を決定することにより流体の圧力を測定することができる。図３Ａから図３Ｅに示したこれらの例は、構成自在の端子（４１Ａから４１Ｄ）とともに渦流量計４０を備える融通性を示しており、それによって流量計はさまざまな圧力センサまたは差圧センサまたは伝送器に連結し、プロセス流体情報を受信するとともに、渦流体速度情報と組み合わされた付加的情報に基づき付加的計算を行なうことができるものと了解される。このようにして、ユーザは機能性付加のためさまざまな種類の圧力センサまたは差圧センサまたは伝送器を渦流量計に連結することができる。
【００２３】
ここまで本発明の実施形態は、流体密度または質量流量もしくはその両方の直接的な示度を得るため一対のフィールド装置を協働させることに焦点を合わせてきた。他方で、差圧および渦の検知を行なう前記方式は、本発明の実施形態に従って有利に利用できる相乗作用をもたらすものである。相乗的な組み合わせは以下に述べる通りである。
【００２４】
図４は、本発明の一実施形態による渦流量計１００の概略図である。渦流量計１００は、変位、従って渦を示す信号を渦電子回路１０６に対して発生させる変位センサ１０４に連結された渦変位部材１０２を備えている。渦変位部材１０２、渦センサ１０４、および電子回路１０６の動作は適切な既知の渦検知方法または技法に従うものとすることができる。そのような方法の一例は、ローズマウント社に譲渡された米国特許４，９２６，６９５号に述べられており、これはロッキングビーム渦センサを提供するものである。進歩性を有する図４のシステム１００の側面は、既知の渦検知と圧力センサ１０８および１１０との組み合わせである。具体的には、管１８を通る流体流は渦変位部材１０２を通過する際、差圧を発生させる。そのためこの実施形態では、渦変位部材１０２自体が差圧を発生させる流体流障害として用いられている。差圧は結線１１２および１１４を介して電子回路１０６により検知される。このようにして電子回路１０６は渦検知によって流体速度測定を行なうとともに圧力センサ１０８および１１０を用いて差圧測定を行なうことができる。この結果得られた質量流量または流体密度もしくはその両方は他の適切な特性とともにプロセス通信ループ１１６を通じて伝送することができる。
【００２５】
圧力センサ１０８、１１０はそれぞれ半導体系の圧力センサであることが好ましい。これらの種類の圧力センサは、本発明の譲受人に譲渡された米国特許５，６３７，８０２号に教示されている。一般にこのような半導体系圧力センサのキャパシタンスは当該半導体センサの一部分のたわみに伴い変化する。このたわみは印加された圧力に応じたものとなる。半導体、特にサファイアを使用することには多くの利点がある。サファイアは適切に溶融接着した場合に２つの接着部の間に物質界面が生じない単結晶物質の一例である。従って、この結果得られる構造は非常に強固である。また、半導体系センサはヒステリシスが非常に大きく、周波数応答が非常に高い。半導体系圧力センサに関する付加的な情報は米国特許６，０７９，２７６号、６，０８２，１９９号、６，０８９，９０７号、６，４８４，５８５号、および６，５２０，０２０号の各号において知ることができ、それらはすべて本発明の譲受人に譲渡されている。
【００２６】
サファイア系センサの使用は、図４に示すような圧力センサ自体がプロセス流体に曝露される実施形態において特に有益である。サファイアは耐食性である。さらに、サファイア圧力センサは応答時間が通常は１００キロヘルツ超と速く、これは圧力センサが渦の検知にも使用される（図５に関して以下に述べるような）本発明の実施形態において特に有利な特徴である。圧力センサをプロセス流体と直接接触させるので、圧力センサの反応を遅らせるか、またはシステムの有効性を低下させるか、もしくはその両方の可能性があるシリコーン油などの隔離流体は存在しない。
【００２７】
半導体系圧力センサとともに一般に使用される変換回路は精度が非常に高く応答時間が速い。また、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）では多くの回路を組み合わせることができる。
【００２８】
図５は、本発明の一実施形態によるシステム２００の概略図である。システム２００は一対の圧力変換器１０８および１１０に連結された電子モジュール２０２を備えている。圧力変換器１０８は二重機能一次要素２０４内に配置される。装置２０４は、渦２１２を発生させるとともに圧力センサ１０８を孔２０８を介して上流圧２０６に連結するという点で二重機能を有する。二重機能一次素子２０４は要素２０４に沿って流体が流動する際に渦２１２を誘起するように形成される。圧力センサ１１０は一次要素２０４の下流に配置され、下流圧を検知するだけでなく、そこを通過する渦２１２を示す圧力変動も検知する。
【００２９】
圧力センサ１０８および１１０はそれぞれ半導体系圧力センサであることが好ましい。上述したように、そのようなセンサは通常、有利な高周波応答を示す。そのためセンサ１１０は瞬間的な圧力の示度を非常に迅速に供給することができ、渦を示す圧力変動を測定または検出もしくはその両方をできるようになっている。
【００３０】
図６は、システム２００の動作を示す図である。線２１４は上流圧に関する圧力センサ１０８からの圧力測定値示度を経時的に表わすものである。図６に示すように、センサ１０６により示される上流圧は相対的に平坦である。まったく対照的に、圧力センサ１１０が与える圧力の示度は線２１６で示される。線２１６は、渦２１２が通過する際のセンサ１１０直近における局所圧力の増大および低下を示す多くの山２１８および谷２２０を含んでいる。下流圧センサ１１０の信号の平均２２２は差圧を計算するために有用である。結果として、上流圧２１４から平均２２２を減ずることにより差圧測定値を得ることができる。さらに、渦周波数の示度は、局所的な山２１８の間の相対的時間または局所的な谷２２０の間の相対的時間、もしくはその両方を測定することにより与えられる。
【００３１】
図７は、本発明の別の実施形態によるシステム３００の概略図である。システム３００も渦検知と差圧流量測定との相乗作用を利用している。より詳細には、システム３００は、流体通過要素３０４に関する差圧の示度を与える差圧流量測定装置３０２を備えている。好ましくは、差圧流量測定装置３０２は米国特許６，４７０，７５５号によるものである。さらに、要素３０４は図８に示されている線Ａ−Ａに沿った断面を備えるＴ字状であることが好ましい。明らかなように、他の適切な形状を使用してもよい。要素３０４は第１の圧力３０３をチャンバ３０６に連結し、そして、最終的にはチャンバ３０６と流体連通する上流圧センサに第１の圧力を連結する。上流圧センサは半導体系の圧力センサであることが好ましい。第２チャンバ３０８は１つ以上の孔３１０を介して下流圧３０５に連結される。また、要素３０４は、温度検知装置を挿入するのに適した凹部または孔３１２を備えてもよい。米国特許６，４７０，７５５号に教示された一次素子の形状および図７および８で述べた形状は重要な特徴がある。具体的には、一次素子は差圧を効果的に変換しながら、下流にカルマン渦を発生させる。図７に示すように、一次要素３０４の下流に配置された渦変換器３２０は線３２４を介して渦の示度を渦電子回路３２２に与える。
【００３２】
本発明のある側面によれば、渦変換器３２０は管１８の片方側に挿入可能であり、そこに固定される。変換器３２０は渦を通すことによって撓曲自在の要素３２６を有している。
【００３３】
図９Ａから図９Ｃは図７の要素３２６をより詳細に示している。要素３２６は、外径３２８を通すような寸法を有する管１８の孔を貫通して延びるように構成されている。要素３２６は、横方向ビーム３３２が交差する縦方向ビーム３３０を備えることが好ましい。薄肉の変位部材３３４は表面３３６から延びており、側面領域３３８を形成している。側面領域３３８は縦方向ビーム３３０および横方向ビーム３３２により支持され、通過する渦の圧力が作用する表面を提供する。渦が通過するにつれて、要素３２６は矢印３３８の方向にわずかに変位する。要素３２６は好ましくはフランジ３４０に固定されるので、先端３４２は方向３３８とは反対の方向３４４に振動する。先端３４２は、ローズマウント社から部品番号０８８００−０２５０−０００１として商業的に入手可能なもののような標準的な圧電渦流量検知装置に連結することが好ましい。要素３２６は既知の鋳造技術を用いて容易に製造可能なので相対的に低コストの品目である。
【００３４】
動作中、本発明の実施形態に従って動作するシステムは質量流量または密度もしくはその両方の迅速かつ高精度の指示を行なうことができる。質量流量または密度もしくはその両方の計算はフィールド装置によって、または遠隔的に実行可能である。遠隔的に計算を行なう方法の１つは、テキサス州オースティンのフィッシャー・ローズマウント・システムズ社（Ｆｉｓｈｅｒ−Ｒｏｓｅｍｏｕｎｔ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ）から商品名プラントウェブ（登録商標）（Ｐｌａｎｔｗｅｂ）として販売されているようなデジタル通信環境においてファンクションブロックを作成し、２つの標準的な流量測定値（１つは差圧流量、もう１つは流体速度の示度）から質量流量または密度もしくはその両方を計算するものである。このような構成において、質量流量および密度の計算はファンクションブロックに付加される。実質的に、２つの測定値を用いて仮想密度計または仮想質量流量計もしくはその両方が創出される。渦式、磁気式、タービン式、容積式、超音波式を含む任意の体積測定技術を差圧流量装置と組み合わせて使用し、流体速度の示度を得ることができる。
【００３５】
上述したように、本発明の実施形態は差圧測定要素を使用するものである。差圧を測定する１つの好適な方式は、ローズマウント社から商業的に入手可能な４８５アニュバー（登録商標）（４８５Ａｎｎｕｂａｒ）センサを用いるものである。これは流量係数（Ｋ）が流量に対して直線的なので好適である。オリフィスプレートを使用する場合、流量係数がレイノルズ数に従属するので問題が若干複雑となる。直流管の量を低減させるためオリフィスプレートとともに調整プレートを使用することも可能である。
【００３６】
流体温度の測定により、ある実施形態では有益な情報がもたらされる。とりわけ、ピエゾセンサからの渦流出信号、温度センサ（例えば抵抗温度検知器（ＲＴＤ）、熱電対など）からの温度、および差圧センサからの差圧を読み取るための電子回路を備える渦測定システムでは、質量流量をフィールド装置において直接計算し、またＣｐを感度に関して補正して、温度および速度、またはレイノルズ数を処理することができる。
【００３７】
これは蒸気の質量流量および性質に関して特に重要な特徴である。差圧、温度および体積流量を測定する渦式計器を用いて蒸気の質量流量および性質を決定するため、さまざまな質量流量および蒸気の性質に関するパラメータに対して差圧測定に関するＣｐを知る必要がある。同様に、渦式計器による流量を質量流量および蒸気の性質の関数として記述する必要がある。蒸気が過熱状態にないと仮定すると、気相および液相の密度は測定された温度における飽和特性に基づいて計算することができる。この測定値およびＣｐ＝ｆ（ｘ，ｍ）、および渦流量（渦のＫ因子、Ｋ＝ｆ（ｘ，ｍ）（式中、ｘは蒸気の性質、ｍは質量流量））に関して、２つの方程式および２つの未知数の系をそれら２つの未知数に関して解くことができる。これらの種類の方程式に対する解法は今日、分散形制御システムまたは、フィールド装置から離隔した類似の場所において実行される。本発明の実施形態によれば、フィールド装置は現場においてこの測定を行なうことができ、顧客の金銭が節約され、制御に関するより質の高い情報が得られる。図１０は蒸気のさまざまな性質Ｘに対するオリフィスプレートによる読取り値と渦流量計による読取り値４０２との読取り値の差異を示すグラフである。
【００３８】
本発明の別の実施形態によれば、第１のフィールド装置からの体積流量を用いて第２のフィールド装置の動作または精度もしくはその両方を調整、較正、またはその他の方法で改善することができる。例えば、体積流量を差圧信号により決定して、渦流量測定回路にフィードバックし、渦回路内のノッチフィルタを調整するために用いることができる。この特徴は特に、渦信号が背景雑音に影響されやすいという渦検知に関しての問題に取り組む一助となる。差圧体積測定信号からのフィードバックに基づきノッチフィルタおよびデジタル信号処理を調整することにより、渦測定回路は実際の渦信号をより良く追跡することができる。また、渦および差圧流量を独立して測定することにより、２つの信号を比較する診断を実施することが可能である。例えば、差圧から導かれた流量と渦から導かれた流量とが分岐し始めた場合、オペレータに問題を警告する警報または他の適切な指示を発することができる。この内部チェックは安全実施システム（ＳＩＳ）を使用する用途において特に関心を呼ぶものかもしれない。
【００３９】
本発明は好適な実施形態を参照して説明されてきたが、本発明の精神および範囲から逸脱せずに形態および詳細における変更が可能であることは当業者の認識するところであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の一実施形態によるプロセス流体測定システムの概略図である。
【図２】本発明の別の実施形態によるプロセス流体測定システムの概略図である。
【図３Ａ】本発明の実施形態による、渦検知フィールド装置が情報を受信する方法を示すブロック図である。
【図３Ｂ】本発明の実施形態による、渦検知フィールド装置が情報を受信する方法を示すブロック図である。
【図３Ｃ】本発明の実施形態による、渦検知フィールド装置が情報を受信する方法を示すブロック図である。
【図３Ｄ】本発明の実施形態による、渦検知フィールド装置が情報を受信する方法を示すブロック図である。
【図３Ｅ】本発明の実施形態による、渦検知フィールド装置が情報を受信する方法を示すブロック図である。
【図４】本発明の一実施形態による、プロセス流体流量を測定するためのフィールド装置の概略図である。
【図５】本発明の別の実施形態による、プロセス流体流量を測定するための別のフィールド装置の概略図である。
【図６】渦を検出するとともに差圧を決定するための圧力センサの使用を示す圧力対時間のチャートである。
【図７】本発明の一実施形態による、プロセス流体流量を測定するためのシステムの概略図である。
【図８】本発明の実施形態にとって有用な二重目的一次素子の断面図である。
【図９Ａ】本発明の一実施形態による渦変位部材の斜視図である。
【図９Ｂ】本発明の一実施形態による渦変位部材の正面図である。
【図９Ｃ】本発明の一実施形態による渦変位部材の断面図である。
【図１０】蒸気のさまざまな性質（Ｘ）に対する差圧測定と渦流量測定との読取り値のずれを示すチャートである。
【符号の説明】
【００４１】
１０…流体質量流量測定システム，１２…差圧流量測定システム，１４…過流量測定システム，１６…制御室，１８…プロセス流体管，４０…過流量計，４１Ａ〜４１Ｄ…端子，４２…差圧または圧力伝送器，４４…プロセス通信ループ，４６…ループ通信モジュール，４８…マイクロプロセッサ，５０…アナログデジタル変換器，５２…スイッチ，５４…過流量センサ，５６…温度センサ，５７…電流源，５８…電源，６０…抵抗
【図１】
2007530951.tif 000003
【図２】
2007530951.tif 000004
【図３Ａ】
2007530951.tif 000005
【図３Ｂ】
2007530951.tif 000006
【図３Ｃ】
2007530951.tif 000007
【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
2007530951.tif 000009
【図４】
2007530951.tif 000010
【図５】
2007530951.tif 000011
【図６】
2007530951.tif 000012
【図７】
2007530951.tif 000013
【図８】
2007530951.tif 000014
【図９Ａ】
2007530951.tif 000015
【図９Ｂ】
2007530951.tif 000016
【図９Ｃ】
2007530951.tif 000017
【図１０】
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【手続補正書】
【提出日】平成19年2月8日(2007.2.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
管内のプロセス流体の質量流量を測定するシステムであって、
前記管と連結するように構成され前記管内の流動障害の上流および下流のプロセス流体圧を測定するための差圧センサを有する差圧測定フィールド装置と、
前記管に連結され前記管内を流れる流体の速度を検知するように構成された流体速度装置と、
差圧と速度との情報を組み合わせて流体流特性の示度を与えるように構成された流体流回路とを備えるシステム。
【請求項２】
前記流体流特性が密度であることを特徴とする、請求項１のシステム。
【請求項３】
前記流体流特性が質量流量であることを特徴とする、請求項１のシステム。
【請求項４】
前記流体流特性が前記差圧測定フィールド装置により計算されることを特徴とする、請求項１のシステム。
【請求項５】
前記フィールド装置がプロセス産業の標準的通信プロトコルにより前記流体流特性を通信することを特徴とする、請求項１のシステム。
【請求項６】
前記流体速度装置が前記差圧測定フィールド装置と通信することを特徴とする、請求項１のシステム。
【請求項７】
前記通信がプロセス産業の標準的通信プロトコルに従うものであることを特徴とする、請求項６のシステム。
【請求項８】
プロセス流体温度の示度を与えるように配置された温度センサをさらに備える、請求項１のシステム。
【請求項９】
前記流体流特性が熱質量流量を含むことを特徴とする、請求項８のシステム。
【請求項１０】
前記流体流特性が流体組成であることを特徴とする、請求項８のシステム。
【請求項１１】
前記流体流特性が蒸気の性質であることを特徴とする、請求項８のシステム。
【請求項１２】
前記差圧センサが一対の圧力センサ、すなわち前記障害の上流に配置されている第１の圧力センサと前記障害の下流に配置されている第２の圧力センサとにより形成され、前記一対の圧力センサの少なくとも一方が半導体物質で形成されることを特徴とする、請求項１のシステム。
【国際調査報告】
2007530951.tif 000019
2007530951.tif 000020
2007530951.tif 000021