(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コリオリ流量計を流れる材料の密度を測定する工程（６０２）と、
測定された前記密度から、流れる前記材料の圧力を決定する工程と、
を備える方法であって、
（ａ）Ｔを温度、Ｍを前記コリオリ流量計を流れる前記材料のモル重量、ρを前記密度、Ｒを定数としたとき、圧縮率ｚの値を式
【数１】
0004673376.tif 000007
において１に設定し、圧力Ｐの値を計算する工程（６０４）と、
（ｂ）前記圧力Ｐの計算された値を用いて、前記圧縮率ｚの一層正確な値を決定する工程（６０６）と、
（ｃ）前記圧縮率ｚの新たな一層正確な値を用いて、前記圧力Ｐを再計算する工程（６０８）と、
（ｄ）前記圧力の値が所定の限界内に収束するまで、工程ｂ及びｃを反復する工程と、
を備える方法。
【請求項２】
圧縮率状態方程式又は圧縮率ルックアップ・テーブルを用いて前記圧縮率を決定する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記流量計を流れる前記材料のモル重量（ＭＷ）を入力するようユーザーに促す、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
気体種別を入力するようユーザーに促し、
前記コリオリ流量計が、前記流量計を流れる前記材料のモル重量（ＭＷ）を前記気体種別から決定する、
請求項１に記載の方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法を実行するよう構成されたコリオリ流量計であって、
流れる材料を収容するよう構成された管路（５０２）と、
前記管路を振動させるよう構成された少なくとも１つの駆動部（５０４）と、
振動する前記管路の運動を測定するよう構成された第１の及び第２のセンサ（５０６）と、
振動する前記管路の運動に基づいて、流れる前記材料の密度を決定するよう構成されたプロセッサ（５０８）と、
を具備し、前記プロセッサが、前記工程（ａ）〜（ｄ）を実行することによって決定された前記密度に基づいて、流れる前記材料の圧力を決定するよう構成されてなるコリオリ流量計。
【請求項６】
決定された前記圧力を外部装置へ通信する工程を更に備える、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
（ａ）低圧力点において材料に対するコリオリ流量計の密度―圧力関係を校正する工程と、
（ｂ）高圧力点において前記材料に対する前記コリオリ流量計の前記密度−圧力関係を校正する工程と、
（ｃ）前記材料に対する２つの校正された前記関係を記憶する工程と、
（ｄ）そのときの測定された密度と記憶された２つの前記関係とに基づいて前記材料に対するそのときの圧力を決定する工程であって、
（ｅ）前記高圧力点及び前記低圧力点に対して圧縮率ｚを決定する工程と、
（ｆ）前記高圧力点及び前記低圧力点に対して平均モル重量Ｍを決定する工程と、
（ｇ）Ｔを温度、Ｍを前記コリオリ流量計を流れる前記材料の平均モル重量、ρを前記密度、Ｒを定数としたとき、「最終圧力評価Ｐ」を式
【数２】
0004673376.tif 000008
を用いて決定する工程と、
（ｈ）前記「最終圧力評価Ｐ」を用いて、新たな圧縮率ｚを決定する工程と、
（ｉ）前記工程（ｈ）からの前記新たな圧縮率ｚを用いて、「新圧力評価」を計算する工程（９１０）と、
（ｊ）前記工程（ｇ）〜（ｉ）を、前記「新圧力評価」の値が所定の限界内に収束するまで反復する工程と、
を含む工程と、
を備える方法。
【請求項８】
請求項７に記載の方法を実行するよう構成されたコリオリ流量計であって、
流れる材料を収容するよう構成された管路（５０２）と、
前記管路を振動させるよう構成された少なくとも１つの駆動部（５０４）と、
振動する前記管路の運動を測定するよう構成された第１の及び第２のセンサ（５０６）と、
振動する前記管路の運動に基づいて、流れる前記材料の密度を決定するよう構成されたプロセッサ（５０８）と、
を具備し、前記プロセッサが、前記工程（ａ）〜（ｊ）を実行することによって決定された前記密度に基づいて、流れる前記材料の圧力を決定するよう構成されてなるコリオリ流量計。
【請求項９】
異なる２つの圧力点における前記材料の圧力−密度関係を含む記憶領域を更に備え、流れる前記材料の圧力が、前記材料の密度と前記２つの圧力点における前記圧力―密度関係とを用いて決定される、請求項８に記載のコリオリ流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
本発明は、流量計の分野に関係し、特にコリオリ流量計に関係する。
【背景技術】
コリオリ流量計は、振動する管路上のコリオリの力を感知することによって質量流量を決定する。管路は１つ以上の管からなり、共振周波数で振動するよう強制される。管の共振周波数は流管内の流体の密度に比例する。管の流入部及び流出部に配置されたセンサが、管の端部間の相対振動を測定する。流れ期間には、振動する管と流れる質量とがコリオリの力によって結合され、管の端部間の振動に位相シフトを生じさせる。位相シフトは質量流量に正比例する。
コリオリ・センサの流管に対する二次的な圧力効果が存在する。質量流量が変化しないで圧力が変化すると、管に対する曲げ力の効果が変化する。圧力が増加すると、流管は堅くなり、一定の質量流量に起因する同量のコリオリの力は管に小さな量の曲げを生じる。圧力が低下すると、管は曲がりやすくなり、一定の質量流量に起因する同量のコリオリの力は管に大きな量の曲げを生じる。流れ圧力の効果は線形であり、典型的には、圧力の単位変化当たりの流量の割合として記載される。圧力の効果を補正するには、平均圧力値を用いるか、実際の圧力を測定することが必要である。平均圧力値を用いると、システムの動作圧力に大きな変動が存在するとき、許容できない誤差を誘発することがある。実際の圧力を測定するには、典型的には、圧力感知ポート、圧力トランスデューサ、圧力トランスデューサを監視するよう設計された電子回路、及び測定圧力をコリオリ流量計へ転送する手段を必要とする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、コリオリ流量計における圧力を決定するための良好なシステム及び方法に対する要求が存在する。
【課題を解決するための手段】
コリオリ流量計を流れる材料の密度を決定する方法及び装置が提供される。密度は流れる材料の圧力を推測するのに用いられる。推測された圧力はコリオリ流量計の二次的な圧力効果を補正するために又は外部装置に報告するために使用される。
態様
本発明の１つの態様は、
コリオリ流量計を流れる材料の密度を測定する工程と、
測定された前記密度から、流れる前記材料の圧力を決定する工程と、
を備える方法であって、
（ａ）Ｔを圧力、Ｍを前記コリオリ流量計を流れる前記材料のモル重量、ρを前記密度、Ｒを定数としたとき、圧縮率ｚの値を式
【数１】
0004673376.tif 000002
において１に設定し、圧力Ｐの値を計算する工程と、
（ｂ）前記圧力Ｐの計算された値を用いて、前記圧縮率ｚの一層正確な値を決定する工程と、
（ｃ）前記圧縮率ｚの新たな一層正確な値を用いて、前記圧力Ｐを再計算する工程と、
（ｄ）前記圧力の値が所定の限界内に収束するまで、工程ｂ及びｃを反復する工程と、
を備える方法を含む。
方法は、アメリカン・ガス・アソシエーション（ＡＧＡ）レポート第８号からの情報を用いて前記圧縮率を決定することを更に含むことが好ましい。
方法は、前記流量計を流れる前記材料のモル重量（ＭＷ）を入力するようユーザーに促すことを更に含むことが好ましい。
方法は、気体種別を入力するようユーザーに促し、前記コリオリ流量計が、前記流量計を流れる前記材料のモル重量（ＭＷ）を前記気体種別から決定することを更に含むことが好ましい。
方法を実行するよう構成されたコリオリ流量計は、
流れる材料を収容するよう構成された管路と、
前記管路を振動させるよう構成された少なくとも１つの駆動部と、
振動する前記管路の運動を測定するよう構成された第１の及び第２のセンサと、
振動する前記管路の運動に基づいて、流れる前記材料の密度を決定するよう構成されたプロセッサと、
を具備し、前記プロセッサが、前記工程（ａ）〜（ｄ）を実行することによって決定された前記密度に基づいて、流れる前記材料の圧力を決定するよう構成されてなることが好ましい。
方法は、決定された前記圧力を外部装置へ通信することを更に備えることが好ましい。
本発明の他の態様は、
（ａ）低圧力点において材料に対するコリオリ流量計の密度―圧力関係を校正する工程と、
（ｂ）高圧力点において前記材料に対する前記コリオリ流量計の前記密度−圧力関係を校正する工程と、
（ｃ）前記材料に対する２つの校正された前記関係を記憶する工程と、
（ｄ）そのときの測定された密度と記憶された２つの前記関係とに基づいて前記材料に対するそのときの圧力を決定する工程であって、
（ｅ）前記高圧力点及び前記低圧力点に対して圧縮率ｚを決定する工程と、
（ｆ）前記高圧力点及び前記低圧力点に対して平均モル重量Ｍを決定する工程と、
（ｇ）Ｔを温度、Ｍを前記コリオリ流量計を流れる前記材料の平均モル重量、ρを前記密度、Ｒを定数としたとき、「最終圧力評価Ｐ」を式
【数２】
0004673376.tif 000003
を用いて決定する工程と、
（ｈ）前記「最終圧力評価Ｐ」を用いて、新たな圧縮率ｚを決定する工程と、
（ｉ）「新圧力評価」を計算する工程と、
（ｊ）前記工程（ｇ）〜（ｉ）を、前記「新圧力評価」の値が所定の限界内に収束するまで反復する工程と、
を含む工程と、
を備える。
本発明の別の態様は、方法を実行するよう構成されたコリオリ流量計であって、
流れる材料を収容するよう構成された管路と、
前記管路を振動させるよう構成された少なくとも１つの駆動部と、
振動する前記管路の運動を測定するよう構成された第１の及び第２のセンサと、
振動する前記管路の運動に基づいて、流れる前記材料の密度を決定するよう構成されたプロセッサと、
を具備し、前記プロセッサが、前記工程（ａ）〜（ｊ）を実行することによって決定された前記密度に基づいて、流れる前記材料の圧力を決定するよう構成されてなるコリオリ流量計を含む。
方法は、異なる２つの圧力点における前記材料の圧力−密度関係を含む記憶領域を更に備え、流れる前記材料の圧力が、前記材料の密度と前記２つの圧力点における前記圧力―密度関係とを用いて決定されることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  一定の７０°Ｆ（２１．１°Ｃ）における複数の異なる気体についての、１４ｐｓｉａ（９７ｋＰａａ）〜１４６４ｐｓｉａ（１００９４ｋＰａａ）において変動する圧力に対する気体圧縮率の表である。
【図２】  図１の表からの情報を示すグラフである。
【図３】  １４ｐｓｉａ（９７ｋＰａａ）〜１４６４ｐｓｉａ（１００９４ｋＰａａ）の圧力範囲におけるガルフ・コースト気体組成の理論的に線形の圧縮率と実際の圧縮率とについての、圧力と圧縮率との間の関係を示すグラフである。
【図４】  １４ｐｓｉａ（９７ｋＰａａ）〜１４６４ｐｓｉａ（１００９４ｋＰａａ）の圧力範囲における複数の他の気体の理論的に線形の圧縮率と実際の圧縮率との間の最大の差を示す表である。
【図５】  本発明の例示の実施の形態におけるコリオリ流量計のブロック図である。
【図６】  本発明の例示の実施の形態における、流動密度から流れ圧力を反復的に決定するためのフロー図である。
【図７】  本発明の例示の実施の形態における、２つの圧力点において流量計を校正する方法を示すフロー図である。
【図８】  ３１４ｐｓｉａ（２１６５ｋＰａａ）〜１０１４ｐｓｉａ（６９９１ｋＰａａ）におけるエコフィスクに対する密度対圧力関係を示す図である。
【図９】  本発明の例示の実施の形態における、圧力に対して調整されたそのときの流動圧力を高圧力校正点と低圧力校正点とを用いて決定するためのフロー図である。
【発明を実施するための形態】
図１〜図９及び以下の説明は、本発明の最良の実施の形態を如何に製作し使用するかを当業者に教示するための特定の例を示している。発明の原理を教示するために、従来の態様は簡略化され又は省略されている。当業者は、発明の範囲内に入る、これらの例からの変形を理解するであろう。当業者は理解するとおり、発明の多様な変形を形成するように、以下に記述する特徴を種々の方法で組み合わせることができる。その結果、本発明は以下に記述する特定の例に限定されるものではなく、特許請求の範囲及びその均等物によってのみ限定される。
気体の流動密度は非理想気体法則によって
ρ＝（ＰＭ）／（ｚＲＴ）              （１）
で表される。ここで、ρは流動気体の密度であり、Ｐは流動気体の圧力であり、Ｍは気体のモル重量であり、ｚは気体の圧縮率であり、Ｒは気体定数であり、Ｔは流動気体の温度である。多くの場合、コリオリ流量計内を流れる気体の温度及びモル重量は比較的一定に維持される。流動気体の温度が広い範囲にわたる場合には、流動気体の温度を測定する。温度及びモル重量が定数と考えられるとき、式（１）は
ρ＝Ｎ（Ｐ／ｚ）              （２）
として書き直される。ただし、ρは流動気体の密度、Ｐは流動気体の圧力、Ｎは定数、ｚは気体の圧縮率である。また、式（２）は、流動密度の可変性が流動圧力及び圧縮率によって主に影響されることを示している。また、式（２）は、圧縮率の効果の外側では流動密度が流動圧力に正比例することを示している。大部分の気体測定応用における流動圧力の範囲は大気圧（ほぼ１４ｐｓｉａ（９７ｋＰａａ））から１４６４ｐｓｉａ（１００９４ｋＰａａ）まで変動する、すなわち、ほぼ１０５対１の変動を示す。図１は、複数の異なる気体についての、一定７０°Ｆ（２１．１°Ｃ）において１４ｐｓｉａ（９７ｋＰａａ）と１４６４ｐｓｉａ（１００９４ｋＰａａ）との間で変動する圧力に対する気体圧縮率の表である。これらの気体の圧縮率は当該分野では周知であり、この情報の入手源の１つはアメリカン・ガス・アソシエーション（ＡＧＡ）レポート、第８号、「天然ガス及び関連の炭化水素ガスの圧縮率係数」（１９９４年、第２版）であり、ここに援用する。図２は、図１の表からの情報を示す図である。図１及び図２から理解されるように、圧縮率は、１４ｐｓｉａ（９７ｋＰａａ）〜１４６４ｐｓｉａ（１００９４ｋＰａａ）の範囲にわたって１．３〜１前後の最大変動を有する。
図３は、１４ｐｓｉａ（９７ｋＰａａ）〜１４６４ｐｓｉａ（１００９４ｋＰａａ）の圧力範囲にわたっての、ガルフ・コースト気体組成の理論的に線形な圧縮率と実際の圧縮率とに対する、圧力と圧縮率との関係を示すグラフである。図３から理解されるように、圧縮率と圧力との間の理論的に線形な変動と実際の変動との差は、この気体組成に対しては僅かである。図４は、複数の他の気体についての理論的に線形な圧縮率と実際の圧縮率との最大の差を示す表である。図４は、１４ｐｓｉａ（９７ｋＰａａ）〜１４６４ｐｓｉａ（１００９４ｋＰａａ）の圧力範囲にわたって広範な気体組成に対して圧縮率と圧力との間にほぼ線形の関係があることを示している。式（２）は圧力と密度との間にほぼ線形の関係があることを示している。こうした線形の及びほぼ線形の関係があるので、相関法を用いると流動密度を圧力と同等視することができる。
図５はコリオリ流量計のブロック図である。コリオリ流量計は、流れる材料を収容するよう構成された１つ以上の管を有する管路５０２を備えている。管路の固有曲げ周波数で管路を振動させるように構成された１つ以上の駆動部５０４が存在する。センサ５０６は、振動する管路５０２の運動を測定するよう構成される。コントローラ５０８は駆動部５０４及びセンサ５０６に接続され、コリオリ流量計の動作を制御するよう構成される。コントローラ５０８は１つのユニットに収容されても、多くのユニットに分割されていてもよい。例えば、コリオリ流量計に付属する電子装置が存在し、これらの電子装置は流量計を制御するのを助けるソフトウェアを走らせる外部コンピュータに接続され得る。動作において、流れる材料は振動管路にコリオリの力を生成し、管路の２つの端部間の振動に位相シフトを生じさせる。センサは管路の２つの位置間の位相シフトを測定し、コントローラは測定された位相差から材料の質量流量を決定する。コリオリ流量計は組み込み型の温度プローブ（図示せず）を備えても、外部センサから温度データを受け取ってもよい。また、コリオリ流量計は、管路の測定された運動を用いて、流れる材料の密度を決定することができる。
本発明の１つの例示の実施の形態においては、流れる材料の密度は材料の流動圧力を推測するのに用いられる。図６は、流動密度から流れ圧力を反復的に決定するための流れ図である。ステップ６０２において、コリオリ流量計を流れる材料の密度を、振動する管路の測定された運動を用いて決定する。コリオリ流量計において流れる材料の密度の決定は、当該分野では周知である。ステップ６０４において、気体の圧縮率ｚを式
【数３】
0004673376.tif 000004
において１に設定する。ただし、Ｐは流動圧力、Ｔは温度、Ｍはコリオリ流量計を流れる材料のモル重量であり、第１の圧力が計算される。ステップ６０６において、計算された圧力Ｐを用いて、ｚの良好な値を決定する。所与の圧力Ｐでの気体圧縮率ｚの値は，ＡＧＡレポート８、圧縮率ルックアップ・テーブル、圧縮率状態方程式等を用いて決定することができる。ステップ６０８において、新たな圧縮率ｚを用いて圧力を再計算する。ステップ６０８において決定された圧力値が所定の閾値内に収束しない場合、フローはステップ６０６に戻り、圧力Ｐに対して最後に計算された値を用いて気体圧縮率の良好な推定値を決定する。ステップ６０８で決定された圧力値が所定の閾値内に収束したときには、圧力は流動圧力から首尾よく推測されたことになる。推測された圧力は種々の方法で利用され得る。
本発明の１つの例示の実施の形態においては、圧力を表示することができ、又はコリオリ流量計の外部の装置へ伝達することができる。例えば、圧力値は、危険な圧力状態を検出するようパイプ内の圧力を監視する安全装置へ送られる。本発明の他の例示の実施の形態においては、圧力値はコリオリ流量計の質量流量測定における圧力効果を補正するために用いられる。典型的には、圧力効果は圧力の単位変化当たりの流量の割合として記述される。圧力効果を補正するための１つの方法は式（４）即ち
【数４】
0004673376.tif 000005
を用いることである。ただし、Ｍｃｏｒｒｅｃｔｅｄは補正された質量流量、Ｍｒａｗは測定された生の質量流量、Ｐｅは圧力効果、Ｐｓｔａｔｉｃはそのときの圧力、Ｐｃａｌは流量がそのときに校正された圧力である。典型的には、Ｐｅはコリオリ流量計の構造、例えば管路の直径、管路の壁厚、管路の剛性等の関数である。式４は、流量計における圧力が流量計が校正されたときの圧力と等しいときに、補正された流量が生の流量に等しいことを示している。そのときの圧力が校正された圧力よりも高いとき、補正された流量は測定された流量よりも小さい。
測定された密度を用いてコリオリ流量計が流れ圧力を推測しているとき、流量計を流れる材料のモル重量及び温度が必要になる。温度は流量計のセンサを用いて測定でき、又は外部の温度センサから提供される。気体のモル重量はユーザーによって入力され、又は遠隔の信号源から提供される。ユーザーが材料のモル重量を入力しているとき、ユーザーは値をタイピングすることによって直接に入力し、又は、流れる材料を名称又は気体組成によって識別して間接的に入力する。流れる材料の名称又は気体組成をユーザーが入力すると、コリオリ流量計はルックアップ・テーブルを用いて該材料の対応するモル重量を決定する。
本発明の他の例示の実施の形態においては、高圧力点及び低圧力点で校正された圧力対密度関係を用いることによって、そのときの圧力を決定するよう、流れる材料の測定された密度が用いられる。圧力対密度関係はほぼ線形なので、流量計が２つの異なる圧力点で校正されると、そのときの圧力から反復無しに圧力を推測することができる。校正プロセス期間に、流量計での圧力は精確に測定されなければならない。図７は、流量計を２つの異なる圧力点で校正する方法を示す流れ図である。ステップ７０２において、流量計における材料が第１レベルまで加圧される。ステップ７０４において、第１の圧力での流量計を用いて材料の密度が測定される。ステップ７０６において、流量計における材料が第２レベルまで加圧される。ステップ７０８において、材料の密度が第２の圧力において測定される。流量計を校正するとき、材料は流量計を流れているか、流量計の内部で静止している。流量計は、コリオリ流量計を流れる材料の種類毎に校正され得る。本発明の１つの例示の実施の形態においては、流量計によって測定される材料の異なる種類毎に、高校正点及び低校正点がテーブルに記憶される。流量計をそのとき流れている材料の種類が流量計に入力されると、流量計は当該種類の材料の校正点を参照する。
或る材料に対して流量計が校正されると、式（５）即ち
【数５】
0004673376.tif 000006
を用いて、密度から材料の圧力を決定することができる。ただし、Ｐｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄは決定された圧力、Ｐｌｏｗは低圧力校正点における圧力、Ｐｈｉｇｈは高圧力校正点における圧力、ρｌｏｗは低圧力校正点で測定された密度、ρｈｉｇｈは高圧力校正点で測定された密度、ρｃｕｒｒｅｎｔは流量計を流れている材料のそのときの測定された圧力である。図８は、３１４ｐｓｉａ（２１６５ｋＰａａ）と１０１４ｐｓｉａ（６９９１ｋＰａａ）との間でのエコフィスクに対する密度対圧力関係を示す図である。図８から理解されるように、直線と実際の曲線とは極めて密に適合している。
本発明の他の例示の実施の形態においては、高圧力校正情報及び低圧力校正情報は、流れる材料の温度変化を考慮して調整される。図９は、高圧力校正点及び低圧力校正点を用いて、温度に対して調整されたそのときの流動圧力を決定するための流れ図である。ステップ９０２において、高圧力校正点及び低圧力校正点のそれぞれに対して圧縮率を決定する。圧縮率は、ＡＧＡレポート第８号に開示された３つの方法（ＡＧＡグロス法１、２及び詳細法）のうちの任意の方法と、圧縮率ルックアップ・テーブルと、圧縮率状態方程式等を用いて決定される。ステップ９０４において、高圧力校正点及び低圧力校正点に対する平均モル重量を決定する。式（１）を書き直してモル重量について解くと、
Ｍ＝（ρｚＲＴ）／Ｐ            （６）
を得る。ただし、Ｍは材料のモル重量、Ｐは高圧力校正点及び低圧力校正点で測定された圧力、ｚはステップ９０２で決定された圧縮率、Ｔは高圧力校正点及び低圧力校正点で測定された温度、ρは高圧力校正点及び低圧力校正点で測定された密度、Ｒは定数である。高圧力校正点に対するモル重量は低圧力校正点のモル重量と平均化されて平均モル重量を与える。ステップ９０６において、式（５）を用いて、そのときの圧力Ｐを決定して「最終圧力評価」として記憶する。ステップ９０８において、「最終圧力評価」、そのときの温度、材料の平均モル重量及びそのときの密度を用いて、圧縮率ｚに対する新たな値を決定する。ステップ９１０において、ステップ９０８で決定された圧縮率と、ステップ９０４で決定された平均モル重量と、そのときの密度と、そのときの温度とを用いて、式（３）によって「新たな圧力評価」を計算する。ステップ９１２において、以下の式、即ち
（「新たな圧力評価」−「最終圧力評価」）の絶対値≦１        （７）
を用いて「新たな圧力評価」を評価する。この式が真であれば、「新たな圧力評価」をそのときの圧力として設定する。この式が偽であれば、「新たな圧力評価」は「最終圧力評価」として記憶され、フローはステップ９０６に戻る。この反復法を用いると、高圧力校正点及び低圧力校正点を用いて圧力を決定するとき、流れる材料における温度変化の影響を考慮することができる。
【図１】
0004673376.tif 000009
【図２】
0004673376.tif 000010
【図３】
0004673376.tif 000011
【図４】
0004673376.tif 000012
【図５】
0004673376.tif 000013
【図６】
0004673376.tif 000014
【図７】
0004673376.tif 000015
【図８】
0004673376.tif 000016
【図９】
0004673376.tif 000017