(57)【要約】      （修正有）【課題】低温流体の質量流量測定プロセスの最適化を容易にする。【解決手段】液体分及び気体分を有する流体の流量を測定するための方法であって、当該低温流体が通過する流量制御機器における当該流体の圧力と温度を測定する工程、測定した圧力と、ＣVを、アルゴリズムへ入力する工程、そして当該流体の質量流量を当該ＣVと、測定した当該圧力と温度の関数である当該流体の液体分及び気体分の密度とに関連させる当該アルゴリズムとを利用して、当該流量制御機器を通る流体の質量流量を測定するため、単一の又は複数工程の反復法を実施する工程、を含む流体流量測定方法。システムも提供される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体分及び気体分を有する流体の流量を測定する方法であって、
当該流体が通過する流量制御機器における当該流体の圧力と温度を測定する工程、
測定した圧力と、ＣVを、アルゴリズムへ入力する工程、及び
当該流体の質量流量を当該ＣVと、測定した当該圧力と温度の関数である当該流体の液体分及び気体分の密度とに関連させる当該アルゴリズムとを利用して、当該流量制御機器を通る流体の質量流量を測定するため、単一の又は複数工程の反復法を実施する工程、
を含む流体流量測定方法。
【請求項２】
前記測定、入力及び実施の工程を連続式又は半連続式にくり返す工程を更に含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記流量制御機器を、オリフィス、孔、開放端の管、ノズル及び弁からなる群より選ぶ、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記アルゴリズムが前記流体の質量流量を当該流体の蒸気圧に更に関連づける、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記流体の源において温度と圧力を測定する工程を更に含む、請求項１記載の方法。
【請求項６】
各流量制御機器を通る前記流体のフラッシュ損失を計算する工程を更に含む、請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記流体が流れる１以上の管部分を画定しそして当該管部分における前記流体の熱の漏れ込みを計算する工程を更に含む、請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記流量制御機器について前記流体のフラッシュ損失を計算する工程、
前記流体が流れる１以上の管部分を画定する工程、
当該管部分における前記流体の熱の漏れ込みを計算する工程、及び
前記流量制御機器における前記流体の気体分率と液体分率を当該フラッシュ損失及び当該熱の漏れ込みを使用して計算する工程、
を更に含む、請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記流量制御機器が弁であり、且つ、当該弁の開度を測定する工程を更に含む、請求項１記載の方法。
【請求項１０】
前記アルゴリズムが前記流体の質量流量を当該流体の蒸気圧に更に関連づける、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
測定した前記温度を前記アルゴリズムに入力する工程を更に含む、請求項１記載の方法。
【請求項１２】
液体分と気体分とを有する流体の源と、１以上の流量制御機器と、１以上の装置と、当該１以上の流量制御機器における温度と圧力を測定するための手段と、上記源及び上記１以上の装置のうちの少なくとも１つに連通する１以上の管部分を含む管と、アルゴリズムと、上記１以上の流量制御機器のおのおのについて測定した圧力とＣVとを当該アルゴリズムへ入力するための手段、及び
当該流体の質量流量を上記１以上の装置、上記１以上の流量制御機器のおのおのについての上記ＣV、及び測定した当該圧力と温度の関数である当該流体の気体分及び液体分の密度に関連させる上記アルゴリズムを利用して、当該１以上の装置への流体の質量流量を測定するため、単一の又は複数工程の反復法を実施するための手段、
を含むシステム。
【請求項１３】
複数の前記装置と、複数の前記流量制御機器と、前記源及び少なくとも１つの装置に連通する複数の前記管部分と、そして前記温度及び圧力を測定するための複数の前記手段とを更に含む、請求項１２記載のシステム。
【請求項１４】
前記反復法をくり返して前記流体の前記１以上の装置への質量流量を使用期間中連続又は半連続式に計算する手段を更に含む、請求項１２記載のシステム。
【請求項１５】
前記アルゴリズムが前記流体の質量流量を当該流体の蒸気圧に更に関連づける、請求項１２記載のシステム。
【請求項１６】
前記流体の源における温度と圧力を測定するための手段を更に含む、請求項１２記載のシステム。
【請求項１７】
前記実施のための手段が前記１以上の流量制御機器のそれぞれを通る前記流体のフラッシュ損失を計算する、請求項１２記載のシステム。
【請求項１８】
前記アルゴリズムが、前記流体が流れる前記管部分を画定し、そして当該管部分における前記流体の熱の漏れ込みを計算する、請求項１２記載のシステム。
【請求項１９】
前記アルゴリズムが、前記流体の気体分率と液体分率を前記１以上の流量制御機器における前記フラッシュ損失と前記部分における前記熱の漏れ込みとに関連づける、請求項１２記載のシステム。
【請求項２０】
前記流量制御機器が、オリフィス、孔、開放端の管、ノズル及び弁からなる群より選ばれる、請求項１２記載のシステム。
【請求項２１】
前記実施のための手段が、弁制御器、ＰＬＣ、コンピュータ、サーバー、及び監視制御データ収集工業用制御器からなる群より選ばれる、請求項１２記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
プロセスへの流体の流量は、流体の使用者と流体の供給者の両者に有用な情報を提供するので、多くの用途にとって重要である。低温（ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ）流体へ適用する場合、所定の利用先への流量を知ることは、流体の使用について量と経費を使用者がリアルタイムに知るのを可能にする。今日、使用者は、過去の使用量を確定しそして事後に経費を割り当てるために低温貯蔵タンクを再充填後の請求書を待ち受けている。使用者はまた、特に装置の試運転（始動）中に、装置の性能についての特別な情報を与える流量を知ることから恩恵を受ける。低温流体の流量は、冷却能力を指示し、そして性能を最適化して最良の効率を提供するのを可能にする。流量データを用いれば、装置に対する改良点を即座に実証し、節約額を評価するのが可能になる。
【０００２】
現在入手可能な流体流量計は、低温流体用途に対して一般的に使用されてはいない。低温流体について有用な流量計は、高価で精巧な機器類であって、それらの精度は流体の気体及び液体分の一貫性に依存する。多くの流量計は、過冷却した流れと低気体分の二相流（気体が０．５重量％未満）に対して正確であるが、気体分がもっと多い二相流体と、気体のみの流体に対しては不十分である。ところが、低温用途においては、流体の気体及び液体分は大きく変動することがある。流量計の高い感度のために、それらは手荒な取り扱いの影響も被りやすい。湿分の侵入の可能性も、通常の低温流量測定機器が信頼性を欠く主要な原因である。
【０００３】
低温の流動の特質から、３つの別個の流動様式、すなわち過冷却液、二相の気体と液体、及び過熱気体、が生じる。流量計は、通常、これらの領域の１つにおいて働くように設計される。良好な精度を維持するために、流量計は複雑で、敏感で、高価であるが、それらの精度は、低温流体の気体及び液体分が当該流量計がそれ用に設計された気体及び液体分の域を超えて変動する場合には、不十分になり且つ非常に気まぐれになりかねない。
【０００４】
現在の流量計は、流体の速度と密度を使って直接流量を測定するものと、圧力損失などの特性や流体をモデル化する式を使って間接的に流量を測定するものを包含する。流量を直接測定する流量計は複雑な計器である。それらはそれらの設計条件に対して正確である。これらの計器の例は、米国特許第４８３５４５６号、同第３６３５０８４号、及び同第４２７２９８２号各明細書に開示されている。流量は、流体の速度を直接検出するための可動部品（例えばタービン）を使って測定される。それらは、低温流体の気体及び液体分の安定性に左右されやすく、そして気体分の高い低温流体の場合精度が乏しくなりかねない。
【０００５】
非低温用の間接測定の流量計には、ピトー管、ベンチュリ計及びオリフィスプレート計が含まれる。それらは、圧力損失を測定し、そして流動モデル式、例えばベルヌーイの式でそれを使用することによるものである。二相流の場合、より複雑な流動のモデル化が必要とされ、低温流体の気体及び液体分に大きく依存する。実例を、米国特許第４１６８６２４号明細書に見ることができる。
【０００６】
流量計のその他の例は、電気式手段（例えば静電容量）を使って流れを測定して流体の速度を検出するものであり、例えば米国特許第４５０９３６６号及び同第５８６１７５５号各明細書に開示された流量計の如きものである。それらは低温流体の気体及び液体分の安定性に左右されやすく、気体分の高い低温流体の場合精度が貧弱になりかねない。
【０００７】
流体を気相と液相に分割し、各相の流量を上記の技術の一つを使って測定して二つを合計することで全流量が検出される場合には、第３の群の流量計が生まれる。これらの流量計の例は、米国特許第４８８１４１２号及び同第５６７９９０５号各明細書に見られる。それらは、全流量を測定するのに２以上の流量計を必要とするので、複雑であり且つ高価である。
【０００８】
【特許文献１】米国特許第４８３５４５６号明細書
【特許文献２】米国特許第３６３５０８４号明細書
【特許文献３】米国特許第４２７２９８２号明細書
【特許文献４】米国特許第４１６８６２４号明細書
【特許文献５】米国特許第４５０９３６６号明細書
【特許文献６】米国特許第５８６１７５５号明細書
【特許文献７】米国特許第４８８１４１２号明細書
【特許文献８】米国特許第５６７９９０５号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
当該技術においては、低温流体の流量を測定するより良好な方法を提供することが必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、液体分及び気体分を有する流体の流量を測定する方法であって、当該流体が通過する流量制御機器における当該流体の圧力と温度を測定する工程、測定した圧力と、ＣVを、アルゴリズムへ入力する工程、そして当該流体の質量流量を当該ＣVと、測定した当該圧力と温度の関数である当該流体の液体分及び気体分の密度とに関連させる当該アルゴリズムとを利用して、当該流量制御機器を通る流体の質量流量を測定するため、単一の又は複数工程の反復法を実施する工程、を含む流体流量測定方法を提供する。
【００１１】
本発明は更に、液体分と気体分とを有する流体の源と、１以上の流量制御機器と、１以上の装置と、当該１以上の流量制御機器における温度と圧力を測定するための手段と、上記源及び上記１以上の装置のうちの少なくとも１つに連通する１以上の管部分を含む管と、アルゴリズムと、上記１以上の流量制御機器のおのおのについて測定した圧力とＣVとを当該アルゴリズムへ入力するための手段と、そして当該流体の質量流量を上記１以上の装置、上記１以上の流量制御機器のおのおのについての上記ＣV、及び測定した当該圧力と温度の関数である当該流体の気体分及び液体分の密度に関連させる上記アルゴリズムを利用して、当該１以上の装置への流体の質量流量を測定するため、単一の又は複数工程の反復法を実施するための手段、とを含むシステムを提供する。
【００１２】
本発明のシステムと方法は、液体分と気体分とを含む流体、例えば低温流体の、質量流量及び／又は質量分率を、連続式に、半連続式に、又はオンデマンド式に（すなわち必要とされ又は求められたときに）測定及び計算するのに使用することができる。本発明は、低温流体を含めて、液体分と気体分を含む任意の流体に適用可能である。温度は、入力工程の間にアルゴリズムに入力してもよく、及び／又は気体分と液体分の特性を測定するのに使用しそして特性値をアルゴリズムに入力してもよい。
【００１３】
本発明は更に、低温（ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ）の液体及び気体混合物の使用量を連続式又は半連続式に測定する方法であって、当該低温の液体及び気体混合物の圧力と温度を当該低温の液体及び気体混合物が通過する弁において測定（Ｐvalve及びＴvalve）する工程、当該弁の開度を測定する工程、当該Ｐvalve、Ｔvalve、当該弁のＣV及び開度をアルゴリズムへ入力する工程、そして単一の工程又は複数の工程の繰り返しを行って、当該流体の質量流量をＣVと、当該液体及び気体混合物の圧力と温度の関数である当該気体及び液体混合物の蒸気圧及び密度とに関連させる当該アルゴリズムとを利用して、当該低温の液体及び気体混合物の質量流量を測定する工程、を含む低温液体及び気体混合物の使用量測定方法を提供する。
【００１４】
この新しい発明は、制御弁又はその他の流量制御機器を使用して流量を測定するのが可能であるので、装置への流体の質量流量を追加の経費を制限して測定する必要に応じるものである。本発明は、任意の気体分率と液体分率を有する低温流体について流量を測定する信頼性のある、確固とした、費用のかからない、効果的方法を提供する。それは、流量測定の方法とシステムを、最小限の追加費用で、大部分の用途に対して付加し取り付けるのを可能にする。
【００１５】
本発明の簡素さは、測定計算を弁の制御器、ＰＬＣ、コンピュータ、サーバ、監視制御データ収集（ＳＣＡＤＡ）工業用制御器、等で行うことができることを意味する。全部ではないにしても大部分の設備の場合、装置を流体源に接続する管には制御弁又はその他の制御機器があるので、既存の利用先をこの技術を用いて容易に改造することができる。
【００１６】
本発明を利用して、二相流体、例えば低温流体の最終使用者と供給者の両方に流量についての信頼できる情報を提供することができる。それは、使用者が生産効率を監視し、そしてそれを向上させるのに必要な調整を行うのを可能にする。それは、単一の流体供給及び／又は貯蔵源からの低温流体を使用する複数の装置を含むシステムにとって特に有用である。
【００１７】
低温流体を使用する１つの態様を参照して本発明を説明するが、それは液体分と気体分を含む流体の質量流量の測定が所望される任意のシステムに対して使用すること及び適合させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の方法及びシステムの１つの態様は、低温流体源と、当該源からの低温流体を使用する１以上の装置と、当該１以上の装置の近くに配置される１以上の流量制御機器と、当該低温流体源、当該１以上の流量制御機器、及び当該１以上の装置に連通する１以上の管部分を含む管を使用する任意の標準的な低温システムについて機能するよう設計される。１以上の流量制御機器は、おのおの流量係数が既知の弁（例えば可変ポジション式の、オン／オフの、又は電磁式の弁）でよく、あるいは流量係数を測定することができる弁又はその他の流量制御機器である。流量係数ＣVは、開放時に、可変ポジション式の弁の場合には既知量開放しているときに、温度及び圧力の所定の条件下で弁を通過することができる流体又は気体の量に関連づけられる無次元数である。実例を目的とし、また本発明の１つの態様について、弁の容量係数ＣVは、完全に開いた弁を１ｐｓｉの圧力損失で通過する、ガロン／分での６０°Ｆの水の量として定義することができる。後に説明するように、ここでは、ＣVは弁以外の他の流量制御機器について測定することができる。本発明を、流量制御機器が弁である態様を参照して説明するが、ここで説明する１以上の弁の代わりに１以上の流量制御機器を用いることができることが理解される。
【００１９】
本発明の方法とシステムの１つの態様は、低温流体源から１以上の装置への低温流体の質量流量を計算するためのアルゴリズムを使用する。流量は、過冷却された流体、二相の流体、及び過熱された流体についてＣV／流動特性を定義する１又は２以上の式を使用して計算される。これらのタイプの式は、ＣV式と称される。そのような式の例は、“Ｍａｓｏｎｅｉｌａｎ’ｓ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｖａｌｖｅ  Ｓｉｚｉｎｇ  ａｎｄ  Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ”に見いだすことができ、そして次のとおりである。
【００２０】
【数１】
2005134375.tif 000003
【００２１】
この式で使用されるＣV項は、弁のＣVと、弁に取り付けられた計器又は弁のコントローラからの信号により測定される弁の％開度との積である。特に明記しない限り、ここで使用するＣVは、流量係数あるいは流量制御機器の％開度を乗じた流量係数のいずれかを意味することができる。ｆl及びｆgの値は、二相流体におけるそれぞれ液体及び気体の質量分率を表す。液体のみの場合ｆl＝１であり、気体のみの場合ｆg＝１であり、そしてｆl＋ｆg＝１である。ｆl及びｆgは無次元である。ｗは、ｋｇ／ｈ単位の二相混合物の重量（質量）流量である。ほかの変数は次のとおり定義される。
【００２２】
ＦF  ＝液体の臨界圧力係数
ＦL  ＝液体の圧力回復係数
ＦK  ＝比熱比係数、無次元
ＦP  ＝配管の形状係数（レジューサ補正）
ΔＰl＝液相圧力損失、ｂａｒ単位
ΔＰg＝気相圧力損失、ｂａｒ単位
ｘ   ＝圧力損失比係数
ｘT  ＝限界圧力損失比係数
Ｙ   ＝気体膨張係数、Ｙ＝１−（ｘ／（３ＦKｘT））      （式１Ａ）
γl  ＝入り口条件での液相の比重量（密度）、ｋｇ／ｍ3単位
γg  ＝入り口条件での気体又は気相の比重量（密度）、ｋｇ／ｍ3単位
ＰV  ＝液体蒸気圧（ｂａｒ）
ＰC  ＝液体臨界圧力（ｂａｒ）
【００２３】
ＦL、ＦP、ｘ及びｘTは、制御弁の物理的特性であり、弁の製造業者により供給されるような、弁のデータマニュアルから見つけだすことができる。
【００２４】
ＰC、ＰV、ＦK、γl及びγgは、化学工学ハンドブック、例えばＰｅｒｒｙのそれなどに見いだすことができる一覧表のデータにより決定される流体の物理的特性である。
【００２５】
ＦF  ＝０．９６−０．２８（ＰV／ＰC）1/2        （式１Ｂ）
ΔＰlはＦL2（Ｐl−ＦFＰV）（式１Ｃ）に制限される。
ΔＰgはＦKｘTＰl（式１Ｄ）に制限される。
ここで、Ｐ1は弁の直前で測定される上流圧力である。式１Ｃと１ＤはＰl（Ｐfcd及びＰvalveとも称される）のみが測定される場合ΔＰl及びΔＰgについての最大値を求めるのに使用することができること、また、Ｐ2の測定は随意であり、本発明の方法及びシステムを実施するのに必要はないことに注目されたい。
【００２６】
質量流量を計算するのに本発明で使用することができるＣV式のそのほかの例には、下記のもの、すなわち、
【００２７】
【数２】
2005134375.tif 000004
【００２８】
（この式の変数は先に定義されたものと同じであり、Ｐ2は下記で定義される）、及びＢａｄｇｅｒ  Ｍｅｔｅｒ社の弁寸法決定式（Ｂａｄｇｅｒ  Ｍｅｔｅｒ，  ＩｎｃのＣｏｎｔｒｏｌ  Ｖａｌｖｅ  Ｂｕｌｌｅｔｉｎによる）から誘導されるもの、すなわち、
【００２９】
【数３】
2005134375.tif 000005
【００３０】
が含まれ、後者の２つの式において、
ＣV      ＝弁の流量係数
ＳＣＦＨ ＝スタンダードｆｔ3／ｈ
ＧＰＭ   ＝米ガロン／ｍｉｎ
Ｐ1      ＝ｐｓｉａでの上流圧力
Ｐ2      ＝ｐｓｉａでの下流圧力
ΔＰ     ＝ｐｓｉでの圧力損失又は（Ｐ1−Ｐ2）差（弁をまたいでの）
Ｓ．Ｇ． ＝空気又は水に対する比重
°Ｆ     ＝弁における°Ｆでの流体温度
である。
【００３１】
流体の流動特性にＣVを関係づけるこれらの式から誘導されるもの、導き出されるもの又はそれらに代わるものを、本発明の方法とシステムにおいて使用してもよい。例えば、ＣVは通常は弁とその特性に関連づけられるものではあるが、上述の本発明の更なる態様では、上記のＣVの式を使って、例えばオリフィス、孔、開放端の管、ノズル、あるいは実際のところ任意のタイプの流量／流量制御制限機器などの、その他の流量制御機器により二相流体の流量を測定してもよい。「流量制御機器」なる用語は、弁を含めてそれらの機器の任意のものを一般的に指すのに使用される。そのような流量制御機器の相当ＣVを求めるための方法を使用し、そして流量制御機器において本発明により説明される必要条件（例えばＰfcd及びＴfcd）を測定することによって、その流量制御機器用に変更されたアルゴリズムでもって質量流量を計算することができる。
【００３２】
例えば、任意のノズル製造業者のカタログ（例えばＳｐｒａｙｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍｓ，  Ｉｎｃ．）から、所定圧力（ｂａｒｇ）での水の流量についての値（リットル／分）を測定し、それによって次の式
【００３３】
【数４】
2005134375.tif 000006
【００３４】
を使って相当ＣVを求めることができる。この式において、
流量＝ノズル流量、リットル／分
Ｐ  ＝圧力（ｂａｒｇ）
である。
【００３５】
下記で説明するアルゴリズムにおける値についてのこのほかの変数を、流量制御機器について同様のやり方でもって決定することができる。例えば、ノズルについては、ＦPを１に等しいと想定することができ、そのほかの流量制御機器については、製造業者のデータからＦPを見つけることができる。
【００３６】
ＣV式の１つを使用して質量流量を計算するのには、一般に、流量制御機器（例えば弁）のＣV、上流圧力（流量制御機器又は弁の直前の）、流体における気体と液体の蒸気圧そしてまた質量分率、そして随意に流量制御機器（例えば弁）をまたぐ圧力の変化、を知るのを必要とする。
【００３７】
流量制御機器が弁である一つの態様を参照して本発明を再び説明するが、ここでは弁といういずれの記載も流量制御機器という用語で置き換えることができるので、それは限定するつもりなわけではない。
【００３８】
一つの態様において、１つの測定センサー（あるいは必要なら、平均化することができる複数のセンサー）を弁における温度用に配置し、またＰ1及びＰ2を測定するため弁の前又は後に圧力センサーを配置することによって、弁における圧力の変化ΔＰと、弁における流体温度Ｔvalveを測定することができる。このとき、弁をまたぐ圧力変化はＰ1−Ｐ2として計算されるが、ΔＰlとΔＰgは、絞られた流量についての最大値に制限され、そして上記の式（式１Ｃと１Ｄ）で与えられる。測定された温度Ｔvalveを使用して、流体の蒸気圧（ＰV）を計算することができる。蒸気圧を実際の圧力Ｐ1と比較することで、流体の状態を過冷却されたもの、混合した液体／気体、あるいは過熱した気体として決定する。１００％液体の低温流体あるいは１００％気体の低温流体については、Ｔvalve、Ｐ1及びＰ2を測定しΔＰを計算して、ＣV式の全ての変数を知り、そしてＣV式を使って質量流量を容易に計算することができる。熱力学的な言い方をすれば、状態図の飽和線の外側では、圧力と温度は他に依存せず、そして状態を（そしてそれゆえに流体の特性を）規定する。ところが、流体が液体と気体からなる状態図の飽和線の内側では、圧力と温度は他に依存し、そしてＣV式は、あまりに多くの未知の変数（例えば、ｆl、ｆg）があるので、質量流量を計算するのに使用することができない。従って、飽和線の内側の液体又は気体の質量分率は、別の手段により求めなくてはならない。ここに提示する方法は、全て液体からなる、全て気体からなる、又は液体分と気体分からなる流体が流れる管内の質量流量を計算するのにＣV式を使用するのを可能にする技術である。
【００３９】
流体の量は、静電容量、誘電性、超音波などのような技術を利用する量の測定計器を使用して各流量制御機器で直接測定できるが、但し現在これらの計器は高価であり、且つ信頼性がない。そこで、そのような計器を各流量制御機器で使用しない場合には、ＣV式を解く助けになる変数間の少なくとも１つの追加の関係を定義することが必要である。本発明のアルゴリズムで使用することができる１つのそのような関係は、弁における流体の質量分率を源からの流体の質量分率と管中への熱の漏れ込み（管中に入り込み流体の一部又は全部に相変化を生じさせる熱）、及び源と弁の間の管でのフラッシュ損失（管での圧力低下により発生する気体）に関係づけることである。（大抵の場合、源における流体は１００％液体であるが、本発明は源において気体／液体の混合物又は１００％気体である低温流体又はその他の流体に対しても有効であることに注目されたい。）熱の漏れ込みは、管の長さと、管の断熱のタイプに関係する。フラッシュ損失は、低温源から弁までの管内の流体のエンタルピー変化に関係する。とは言え、熱の漏れ込みは未知の質量流量と、流体の未知である気体分率及び液体分率の関数でもある。しかしながら、本発明のアルゴリズムは、ＣV式及び源から弁までの管中の流体への熱の漏れ込みとエンタルピー変化との関係を使用して質量流量を求める（あるいは近似値を求める）ために、反復計算を行うことができる。
【００４０】
反復計算は、低温流体を使用する１以上の装置の相対的に近くに位置する弁のおのおのにおける流体が１００％液体であると仮定することから始める。あるいはまた、流体は、システムと流体とに応じて、一部が気体又は液体であり、又は全部が気体であると仮定してもよい。
【００４１】
本発明のシステムを示す図１と、ともに本発明のコンピュータアルゴリズム（方法）の１つの態様についての流れ図である図２〜４を参照して、反復計算を説明する。
【００４２】
図１に示したシステム５００は、低温流体源１００、装置１６０、１６１、装置１６０の近くに位置する制御弁１５０、装置１６１の近くに位置する別の制御弁１５１、及び管１７０からなる。両方の装置１６０、１６１は、管１７０を介して源１００に連通する。管１７０は、管部分１７０ａ、１７０ｂ、１７０ｃ、１７０ｄ及び１７０ｅからなる。源１００からの、管部分１７０ａは、１７１の箇所で管部分１７０ｂと１７０ｃに分岐する。管部分１７０ｂは制御弁１５０につながり、そしてそれは管部分１７０ｄを介して装置１６０に通じる。源１００は、１７１の箇所で１７０ｃに分岐し、制御弁１５１に接続し、そして管部分１７０ｅを介して装置１６１につながる管部分１７０ａを介して、装置１６１につながる。
【００４３】
源１００は貯蔵タンクとして示されているが、任意の低温流体源又はその他の流体源、例えば移動式の容器／コンテナ、タンク車、トレーラー、化学物質製造設備、又は液体空気分離プラント、あるいは上記源の複合したものなど、であってもよい。管１７０の管部分は、通常、真空ジャケット付き高性能断熱材（ｖａｃｕｕｍ  ｊａｃｋｅｔｉｎｇ  ｓｕｐｅｒ  ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ）又はその他の断熱材、例えば発泡体、ポリウレタン、ポリスチレン、フォームガラスなどで、十分に断熱される。おのおのの管部分は、管の断熱と管部分の長さがまちまちであるので、別々に検討される。装置１６０と１６１は、流体、例えば低温流体など、を使用する任意の機器、設備、又はプロセス、例えばフリーザートンネル、バッチチラー、低温研削機、ばり取機、溶剤回収設備、あるいは熱交換器など、でよい。システム５００は更に、管１７０に接続され、源１００からの低温流体の出口近くに位置するセンサー１８２を含む。センサー１８２は、少なくとも温度と圧力を測定する。温度は、白金抵抗装置、又は熱電対を使用して測定されるが、必要に応じ別の温度測定機器を使用して測定してもよい。圧力は、圧力プローブ／伝送器／変換器を使って測定することができるが、必要に応じ別の圧力測定機器を使用してもよい。これらの温度及び圧力測定機器は、現実の流体情報を提供するよう管１７０に取り付けられ、又は別のやり方で結合される。センサー１８０が制御弁１５０に存在する。センサー１８０は、少なくとも温度Ｔvalveと、制御弁の直前の圧力（Ｐ1）及び直後の圧力（Ｐ2）をそれぞれ意味する、制御弁１５０の上流の圧力そして好ましくは下流の圧力を測定する。これらの測定を行うために、圧力及び温度用のセンサーは制御弁から近距離のところに、例えば１００ｃｍ未満離れたところに、位置すべきである。センサー１８０はまた、弁の％開度である、あるいは弁の％開度に弁のＣVを乗じたものである、実際の弁ポジションの測定も含む。（開度固定の、その他の流量制御機器の場合は、弁開度を測定する工程は適用されない。）弁ポジションは、線形のポジション変換器、フィードバック変換器または同様の機器を使って測定することができるが、所望あるいは必要ならば別のポジション測定機器を使用してもよい。弁ポジションは、制御弁への電気または空気信号から知ることもでき、あるいは手動で測定してコンピュータへ入力してもよい。
【００４４】
センサー１８１が制御弁１５１に存在する。センサー１８１は、センサー１８０について上述のように、少なくとも温度と、制御弁の上流の圧力及び好ましくは下流の圧力を測定する。センサー１８１も、センサー１８０について上述のように、該当する場合には、実際の弁ポジション（弁の％開度）の測定を含む。センサー１８２、１８１及び１８０の各群は、その発生した信号を、流体の質量流量を計算するため、アルゴリズムを実行すること、あるいはアルゴリズムを実行することができるコンピュータに伝達することもできる、システム５００の一部として示された装置１０６、例えばデータロガー、データ記録装置、プログラム可能な論理制御器（ＰＬＣ）、弁制御器、コンピュータまたは任意のタイプのデータ記憶装置など、に伝送する。センサー１８２、１８１及び１８０からの、図示した伝送の手段は、電線１９０、１９１及び１９２である。あるいはまた、伝送は、ワイヤレスの通信装置、ネットワーク、ＩＲリンク及び／又は同様の通信転送プロトコルによってもよい。センサーは、装置１０６へ連続式に、半連続式に、あるいはオンデマンド式に伝送することができ、そして装置１０６は、低温流体を使用するときにシステムの弁を通過する質量流量を連続式、半連続式またはオンデマンド式に計算する（あるいは計算させる）ようプログラムすることができる。連続式の測定と計算は、測定をし及び／又は計算を行うのに要する時間により制限される。半連続式は、任意の長さの時間でよく、例えば１分ごと又は５分ごとに測定し及び／又は計算を行う。センサーにより得られるいずれの測定値も、リアルタイムで読み取り、あるいはデータベースファイルに時刻印付きで保管し後にデータベースファイルから入力して、流体の質量流量を計算するのに使用することができる。あるいはまた、センサーによる測定及び／又はアルゴリズムを使用する計算を、手動で制御し、又は始動時のみに行い、あるいは他の任意の所望の間隔でもしくは時間に行うことができる。あるいはまた、温度と圧力が設定範囲内にない場合に計算を行ってもよい。必要に応じ、計算した質量流量を使用して装置１６０、１６１による低温流体のリアルタイムの使用量を求めることができる。あるいはまた、このデータを保管及び伝送するため計器にセンサーを備え付けてもよく、又はそれをアルゴリズムがアクセスできるデータベースに保管してもよい。１つの態様においては、装置１０６は、上述した、また図２、３、４を参照して次のとおりいっそう詳しく説明される反復法（アルゴリズム）を使用して、センサーにより測定し伝送される温度及び圧力データを使って弁を通過する質量流量を計算するようプログラムされる。
【００４５】
説明したばかりの図１に示したシステムについて、アルゴリズムのための処理工程を図２、３、４に示す。
【００４６】
図２、３、４における変数は、下記の意味を有する。
下付き文字のｌとｇはそれぞれ液相と気相を明示する。
下付きの数字はどのノード又は弁を参照するのかを明示する。
ｈlは流体の液体エンタルピー（ｋＪ／ｋｇ／℃）である。
ｈlatは流体の潜エンタルピー（ｋＪ／ｋｇ／℃）である。
ｈtankは源における流体のエンタルピー（ｋＪ／ｋｇ／℃）である。
ｆは流体の質量気体分率（分率０＝全て液体、１＝全て気体）である。
Ｐ1は弁の上流圧力（ｂａｒ）である。
Ｐ2は弁の下流圧力（ｂａｒ）である。
Ｐtankは源における流体圧力である。
Ｔvalveは弁上流の流体温度（℃）である。
Ｔtankは源における流体温度（℃）である。
ＨＬは各ノードへの熱リーク（ｋＪ／ｈ）である。
ＧＨＬは熱リークにより発生するガス（ｋｇ／ｈ）である。
ＦＬはフラッシュ損失（％）である。
ｐｏｓは制御弁のポジションである。
【００４７】
このほかの全ての変数は、式１について先に記載した式により定義される。
【００４８】
図に示したアルゴリズムの態様では、アルゴリズムは、低温流体を装置へ分配するための弁と管の分岐箇所との間の菅の長さの定義、全ての管長（管部分）についての断熱材の種類と熱リークの値、各弁のＣV、そして管における弁と分岐箇所の位置を含めて書かれている。（あるいはまた、このデータを読み取り、又は保管及び伝送するために、計器にセンサーを備え付けてもよく、あるいはこのデータを、アルゴリズムがアクセスできるデータベースに保管してもよい。）従って、本発明の方法では、特に明記しない限り、情報を入力する工程は、システムのセンサーからの情報を入力すること、別のデータベースから情報を入力すること、及び／又は事前に確定されてアルゴリズム内に保管されている情報にアクセスすることを包含する。
【００４９】
工程５０１ａでは、流体が流れる各制御弁、ここでの例について言えば制御弁１５０と１５１について、センサー１８０と１８１から、各弁についての上流のＰ1、Ｔvalve、下流のＰ2、及び現下の弁ポジション（ｐｏｓ）を読み取り、またセンサー１８２により、ＰtankとＴtankを読み取って、全ての値をアルゴリズムに入力する。工程５０１ｂでは、各弁について工程５０１ａで集めたデータを使って、流体の物理的特性、すなわち弁のおのおのにおける、液体密度γl、気体密度γg、蒸気圧ＰV、液体エンタルピーｈl、潜エンタルピーｈlat、源における（例えばタンクにおける）流体のエンタルピーｈtank、液体臨界圧力Ｐc及び比熱比係数ＦKを、技術ハンドブックからの表形式にした又は多項式のデータを基に計算する。（反復の最初のときは、弁において流体は１００％液体であると仮定してはいても、測定したＰ1における気体の密度γgを求めるが、これはこの値を下記で説明する工程５０６で使用するからである。）工程５０１ｃでは、式１Ａ、１Ｂ、１Ｃ及び１Ｄを使用して更に計算を行い、ΔＰg、ΔＰl、ＦF、及びＹを求める。ΔＰgは弁をまたいでの気相の圧力変化である。（反復の最初のときは、これは０である。）ΔＰlは弁をまたいでの液相の圧力変化であり、これは反復の最初のときはＰ1−Ｐ2である。ＦLとｘは、一般には、各弁について弁の製造者により提供され、そして各弁についてアルゴリズムで決定される。温度と圧力に依存する流体の変数のうちの一部又は全部については、例えば検索表又は式を有する、１以上の別のアルゴリズムを用意して、変数についての値を求めてもよく、そしてその後それらの値を流体の質量流量を求めるのに使用されるアルゴリズムへ入力することができる。あるいはまた、例えば検索表又は式を有する、サブルーチンをアルゴリズム（流体の質量流量を求めるのに使用される）に組み込んで、変数の値を求めてもよい。
【００５０】
工程５０１ｄにおいて、その後更なる計算を行って、管部分についての熱リークの値を求める。単一の源により供給を受ける単一の装置の場合、これは比較的容易であるが、単一の源に分岐管を介して接続される複数の装置の場合、計算はもっと複雑である。このために、分配システムを管部分又はノードに分割する。弁１５０について言うと、管は図１に示した管部分１７０ａと１７０ｃを含む。弁１５１について言うと、管は管部分１７０ａと１７０ｃを含む。源を装置のための制御弁に接続する管のおのおのについて、熱損失ＨＬは、管の各部分について断熱材係数に長さを乗じたものを合計して計算される。
【００５１】
工程５０２では、各弁における流体が過冷却の液体か、過熱の気体か、あるいは液体と気体の混合物かどうかを決めるために点検を行う。流体が過冷却の液体の場合、工程５０３ａに示されるＣV式を使って質量流量を計算する。流体が気体の場合は、工程５０３ｂに示されるＣV式を使って質量流量を計算する。流体が過冷却の液体だけである、又は気体だけである場合には、計算は工程５０３ａ又は５０３ｂ後に完了する。流体が液体と気体の混合物であり、各弁における流体の液体と気体の比が分っている場合には、工程５０９に示した式を同時に解いて各弁における液体と気体の質量をそれぞれ計算することができ、そして計算を完了する。反復の最初のときは、弁における液体と気体の比は分らないので、流体は弁１５０と１５１のおのおのにおいて１００％液体であると仮定される。弁１５０と１５１のおのおのについて、液体の質量流量ｗl150とｗl151を、工程５０３ｃに示したＣV式を使ってそれぞれ計算する。
【００５２】
次に、工程５０３ｄにおいて、全ての管部分（ノード）における液体流量を計算する。この場合、管部分１７０ａにおける質量流量ｗl170aは、ｗl150＋ｗl151に等しい。
【００５３】
工程５０３ｅでは、各ノードの潜エンタルピーを、そのノードにおける流れの最大潜エンタルピーｈlatの値、すなわちｈlat150又はｈlat151から求める。２以上のノードに分かれ、そしてｈlatが求められている弁のないノードについては、そのノードのｈlatを、そのノードが分かれたノードについてのｈlatの最大値に設定する。これは、図３の工程５０３ｅに示され、ｈlat170a＝ｍａｘ（ｈlat150，ｈlat151）である。
【００５４】
工程５０３ｆでは、各管部分又はノードにおける熱リークにより生じる気体を図３に示した式を使って計算する。各ノードの熱損失は工程５０１ｄで求めた。潜エンタルピーは工程５０３ｅで求めた。
【００５５】
工程５０３ｇでは、気体のＧＨＬ170aを、工程５０３ｄで計算した流量に基づいてその後のノードに分配し、そしてこの説明したばかりの値を工程ｆでＧＨＬ170bとＧＨＬ170cについて計算した値に加えて、熱の漏れ込みによるガスの新しい値ＧＨＬ170bとＧＨＬ170cを計算する。
【００５６】
工程５０４では、各弁のフラッシュ損失を、工程５０１ｂで求めたｈtankとｈlat150及びｈlat151の値を使って源及び弁における潜熱から計算する。
【００５７】
次に工程５０５で、工程５０３ｇと５０４で計算した熱の漏れ込みによるガスの値とフラッシュ損失の値、及び工程５０３ｃで計算した質量流量の値を使って、弁１５０及び１５１のおのおのにおける流体の気体分率ｆを計算する。
【００５８】
工程５０６では、弁１５０と１５１のおのおのについて工程５０５で計算した気体分率と、工程５０１ｂからの液体と気体の密度を使って、弁１５０と１５１における流体について新しい修正した密度を計算する。
【００５９】
工程５０７では、弁のおのおのにおける質量流量の最初の推定値を、弁のおのおのについて工程５０３ｃで計算した初期質量流量ｗl、工程５０１ｂで計算した各弁における液体の密度、及び工程５０６で計算した各弁における修正密度を使用して、再計算する。
【００６０】
工程５０８では、工程５０３ｇと５０４で計算したフラッシュ損失と熱の漏れ込みのデータ、及び工程５０７で計算した質量流量ｗを使って、各弁についてその弁における流体の気体分率ｆ’を再計算する。
【００６１】
次に、工程５０９において、各弁における最終の質量流量を、工程５０８で計算した気体分率ｆ’を使用し、既に求めたかあるいはアルゴリズム内で計算したその他の全ての入力値とともにＣV式を使用して、再計算する。
【００６２】
先に説明しそして図に示したアルゴリズムを実行する実際の結果から、工程５０１から工程５０９に至るアルゴリズムの工程を１回実行することにより大抵のシステムの用途にとって望ましい精度が得られることが示されたが、必要に応じて、アルゴリズムの一部分をくり返すこと、例えば工程５０８と５０９をくり返すこと、あるいは工程５０７で計算したｗを使用しそして工程５０３ｄから工程５０９に至るアルゴリズムをくり返すこと、あるいは前の反復処理から計算された結果を使ってアルゴリズムのうちの他に採り得る部分をくり返すことを行って、より正確な値を計算することができる。
【００６３】
図２、３及び４でもって説明した方法の工程（アルゴリズム）を用いる図１に示した態様は、単一の低温流体源とこの源からの流体を使用する２つの装置に関係するものである。アルゴリズムは、任意の配管設備、及び１以上の低温流体源に連通する任意の数の装置に対して、そのアルゴリズムにそれらを含むよう、当業者がここでの教示に対し行うことができる修正を行うことにより適合させることができる。
【００６４】
本発明のもう１つの態様を図５に示す。図５は、本発明のシステム６００を示している。図１と図５の同様の計器は同じ参照符号で示される。図５は、単一の装置１６０のみを示している点で図１と異なるが、本発明の方法とシステムは、低温流体の源から低温流体を受け入れる任意の数の装置に対してこの上なく有効であり、そしてそれに合わせることができることが理解される。
【００６５】
図５に示したように、センサー１８０が、発生した信号をプログラム可能な論理制御器（ＰＬＣ）１０６へ伝送する。この態様では、ＰＬＣ１０６は、ネットワーク１３６についてのインテリジェントポータルとして働き、センサー１８０、１８２からの信号はそれを通り抜けて、ローカルデータベース１１４に保管され、あるいはパーソナルコンピュータ、ターミナル、及びワークステーション１１２、１２０、１２４、及び１３０でいろいろな要員が見るために、種々のネットワーク１３６又は１４０を通して離れたところのグローバルデータベース１２６へ記憶のために伝送される。ネットワーク１４０上にある機器のそれぞれは、正しく認定されると、安全なアクセスサーバー１３８を通してＰＬＣ１０６から、センサーのデータを受け取り、そして計算された質量流量にアクセスすることができる。更に、携帯型の機器１３４、例えば携帯電話や携帯情報端末などを用いて、センサー信号又はサーバー１３８にアクセスすることもできる。ネットワーク１３６及び１４０は、ローカルエリアネットワーク、広域ネットワーク、プライベートネットワーク、公衆ネットワーク、イントラネット、エキストラネット、及びインターネットを含めた、配線で接続された又はワイヤレスのネットワークの任意の組み合わせであることができる。とは言え、ネットワークによるアクセスは、ダイヤル接続のネットワーク電話回線、ワイヤレスリンク、配線でつながる接続、あるいはそれらの任意の組み合わせでもよい。無線を含めて任意の数の既知の通信プロトコルによるシステムへのリモートアクセスが利用可能である。本発明のシステムは、図５に示した機器の任意の組み合わせを含むことができ、そしてネットワークにアクセスする人がセンサーからの情報に応じて流量又は計器のその他の特性を変更するための手段を提供する能力を予期するものである。
【００６６】
ＰＬＣ１０６又はコンピュータを、センサーにより測定され伝送された温度及び圧力データを使って弁を通る質量流量を計算するようプログラムしてもよいが、現在のところ、ＰＬＣは、センサーにより測定されたデータを弁を通り装置に至る質量流量を計算するようプログラムされるオフサイトサーバーに伝送するのが好ましい。
【００６７】
センサーは、ＰＬＣに連続式に、半連続式に、又は必要とされもしくは別にプログラムされたときに伝送することができ、そしてＰＬＣ又はオフセットサーバーを、弁を通る質量流量を連続式に、半連続式に、あるいはさもなければ必要に応じて、計算するようプログラムすることができる。計算された質量流量を使用して、装置による低温流体の使用量を求めることができる。この情報は、装置がそのために使用されているものに対し適切な経費の配分を決定するのに使用することができる。例えば、装置が食品冷凍装置である場合、食品が冷凍装置を通り抜けるとき食品を冷凍するのに使用される低温流体の量を計算することができ、そして食品を冷凍するための経費を特定の食品に対してそれを冷凍後に適切に配分することができる。これは、複数の冷凍装置が多数の製品を冷凍し、しかも低温流体の単一の源からの低温流体を使用する場合に、特に有益である。その設備構成について、本発明はそれぞれ個々の製品を冷凍する費用を知るのを可能にする。過去においては、特定の装置による低温流体の使用量は概算するしかなかった。各装置が使用する低温流体の質量流量を測定するのは、プロセスの最適化がより容易になるので、更に有益である。
【００６８】
アルゴリズムは、例えば使用者が低温流体の実際の消費を基により正確な値段を取引先に提示するのを助けるために、低温流体を使用する運転費を計算し、そして低温流体を冷凍装置で使用する場合には冷凍する食品の重量により、あるいは低温流体を低温粉砕装置で使用する場合には粉砕する物質の重量により、流体を使用する費用を配分することができる、より大きなアルゴリズム又はプログラムの一部であることができる。更に、低温流体の次の受け渡しを予定に入れるときに、又は低温流体を使用する空気分離装置又はユニットを保守点検するときに、アルゴリズムを使用して使用者と供給者に通知することができる。
【００６９】
低温流体の流量を測定する態様を特に参照して本発明を説明しているが、本発明の方法とシステムは液体分と気体分を有するその他の流体の質量流量を測定するのに適応可能である。例えば、化学工場において更なる処理を行うのに使用される二相流体を製造する際に、そしてまたその二相流体が冷却されて（先の説明のように過熱されるのでなく）、熱の漏れのため管中で気体から液体への相変化を生じることがあるシステムについても、適応可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明のシステムの一つの態様を示す図である。
【図２】本発明の方法の一つの態様を示す図である。
【図３】本発明の方法の一つの態様を示す図である。
【図４】本発明の方法の一つの態様を示す図である。
【図５】本発明のシステムの別態様を示す図である。
【符号の説明】
【００７１】
１００    低温流体源
１５０、１５１    制御弁
１６０、１６１    装置
１７０    管
１７０ａ、１７０ｂ、１７０ｃ、１７０ｄ、１７０ｅ    管部分
１８０、１８１、１８２    センサー
５００    システム
【図１】
2005134375.tif 000007
【図２】
2005134375.tif 000008
【図３】
2005134375.tif 000009
【図４】
2005134375.tif 000010
【図５】
2005134375.tif 000011
【外国語明細書】
2005134375000001.pdf