(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロセス機器であって、
工業プロセスに関連するパイプを通って流れるプロセス流体内で流体の混乱を生成するための流体混乱生成素子、
プロセスパラメータを計測するための、前記流体混乱生成素子に結合したプロセス変数センサ、
流体の混乱に応じて電気的出力信号を生成するように適合された発電素子、
前記発電素子に結合し前記電気的出力信号に基づいて電荷を蓄積するように適合された電力貯蔵コンポーネント、および
前記電力貯蔵コンポーネントに結合した表示インタフェースであって、動作のために前記電力貯蔵コンポーネントから蓄積された電荷を使用するように適合された表示インタフェースを含み、
前記電気的出力信号が当該プロセス機器の電源として用いられ、
前記発電素子が導電性コイルおよび磁石を含み、前記電気的出力信号を生成するために、流体の混乱に応じて前記磁石と前記導電性コイルとが前記磁石が生成する磁界内で相対的に振動するように適合された、プロセス機器。
【請求項２】
前記発電素子が、取り付けアームを介して前記流体混乱生成素子に結合する、請求項１記載のプロセス機器。
【請求項３】
前記発電素子が、
流体の混乱に応じて変形するように適合された隔離ダイヤフラムを有し、
前記導電性コイルが前記隔離ダイヤフラムに近接して固定され、
前記磁石が前記隔離ダイヤフラムに結合し当該隔離ダイヤフラムの変形に応じて固定式の前記導電性コイルに対して移動するように適合された、請求項１記載のプロセス機器。
【請求項４】
前記流体混乱生成素子が差圧生成素子であり、前記発電素子が、パイプ内の前記差圧生成素子の下流に配置される、請求項１又は３記載のプロセス機器。
【請求項５】
前記流体混乱生成素子がオリフィス板であり、前記発電素子が、前記オリフィス板の上流側および下流側のプロセス流体の流れを前記磁石の移動により開閉するバルブを備え、前記オリフィス板の上流側の圧力に対する下流側の差圧の乱れが前記磁石に作用して当該磁石が前記導電性コイルに対し振動するように構成された、請求項１記載のプロセス機器。
【請求項６】
プロセス機器であって、
工業プロセスに関連するパイプを通って流れるプロセス流体内で流体の混乱を生成するための流体混乱生成素子、
プロセスパラメータを計測するための、前記流体混乱生成素子に結合したプロセス変数センサ、
流体の混乱に応じて電気的出力信号を生成するように適合された発電素子、
前記発電素子に結合し前記電気的出力信号に基づいて電荷を蓄積するように適合された電力貯蔵コンポーネント、および
前記電力貯蔵コンポーネントに結合した表示インタフェースであって、動作のために前記電力貯蔵コンポーネントから蓄積された電荷を使用するように適合された表示インタフェースを含み、
前記電気的出力信号が当該プロセス機器の電源として用いられ、
前記発電素子が、前記電気的出力信号を生成するために、流体の混乱に応じて撓むように適合された圧電素子を含む、プロセス機器。
【請求項７】
前記圧電素子が前記流体混乱生成素子に対し片持ち梁状に結合する、請求項６に記載のプロセス機器。
【請求項８】
出力信号に関係するデータを、ワイヤレス通信路を介して制御センタへ発信するように適合されたトランシーバであって、前記電力貯蔵コンポーネントから動作電力を受けるように適合されたトランシーバをさらに含む、請求項１〜７の何れかに記載のプロセス機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に、工業プロセスの監視および制御システムで使用するための工業プロセス機器に関するものである。より具体的には、本開示は、工業プロセス電力採取機器、および、工業プロセスからプロセス機器の電力を引き出す方法に関するものである。
【０００２】
プロセス環境では、制御システムは、工業および化学プロセスのさまざまな側面を監視および制御する。一般的に、制御システムは、工業プロセスに結合したフィールド機器と通信する。たとえば、フィールド機器は、工業プロセスに関連するパイプに結合することができるプロセスセンサを含む。用語「フィールド機器」は、分散制御またはプロセス監視システムにおいて、ある機能を果たす任意の機器をいい、センサ機器、アクチュエータ、その他の機器、またはその任意の組み合わせを含む。制御システムは、フィールド機器から計測したプロセスパラメータに関係するデータを受け、このようなデータをプロセスのさまざまな状況を制御するために使用することができる。
【０００３】
いくつかのフィールド機器は、プロセス変数センサを含む。典型的には、プロセス変数センサは、プロセスパラメータ（たとえば、圧力、温度、またはその他のパラメータ）に関係する入力を受ける。詳細な例では、フィールド機器は、プロセス変数を測定するために、流体の流れの混乱の原因となる素子を含む可能性がある。フィールド機器は、入力を、異なる形態を有する出力に変換するためのトランスデューサを含んでもよい。このようなトランスデューサは、分析装置、プロセッサ、圧力センサ、サーミスタ、熱電対、歪みゲージ、フロートランスミッタ、ポジショナ、アクチュエータ、ソレノイド、インジケータインタフェース、その他のトランスデューサコンポーネント、またはその任意の組み合わせを含む。
【０００４】
一般的に、フィールド機器は、電力を利用して、プロセスパラメータを感知し、および感知されたパラメータを制御システムに発信することができるデータに変換する。さらに、制御システムへのデータの発信は、追加の電力を要する。フィールド機器がプロセス回路またはローカル表示パネル、たとえば発光ダイオードインジケータパネルまたは液晶ディスプレイを含むとしたら、いっそう多くの電力が必要とされる。
【発明の概要】
【０００５】
詳細な実施形態では、プロセス機器は、工業プロセスに関連するパイプを通って流れるプロセス流体内で流体の混乱を生成するための流体混乱生成素子を含み、およびプロセスパラメータを計測するための、流体混乱生成素子に結合したプロセス変数センサを含む。プロセス機器は、さらに、流体の混乱に応じて電気的出力信号を生成するように適合された発電素子、および発電素子に結合した電力貯蔵コンポーネントを含む。電力貯蔵コンポーネントは、電気的出力信号に基づいて電荷を蓄積するように適合される。
【０００６】
別の詳細な実施形態では、工業プロセスに付随する制御システムで使用するためのプロセス機器が開示される。プロセス機器は、工業プロセスに付随するプロセス流体を運ぶパイプに結合したトランスミッタの筐体を含む。プロセス機器は、さらに、プロセス流体に付随するプロセス変数を計測するように適合されたプロセス変数センサを含む。プロセス機器は、プロセス流体に結合し、パイプ内を流れるプロセス流体から電気的出力を生成するように適合されたトランスデューサも含む。プロセス機器は、さらに、トランスデューサに結合し、および電気的出力に基づいて電荷を保存するように適合された電力貯蔵コンポーネントを含み、ならびに電力貯蔵構コンポーネントおよびプロセス変数センサに結合した回路を含む。回路は、電力貯蔵コンポーネントから電源を受け、およびプロセス変数に関係する出力信号を提供する。
【０００７】
さらに別の詳細な実施形態では、工業プロセスに関連するパイプ内のプロセス流体の流れに関係する振動を受けること、フィールド機器に関連するプロセス変数センサにおいてプロセス変数を感知すること、およびトランシーバ回路を用いて、プロセス変数に関係するデータを制御システムへ発信することを含む、工業プロセスからプロセス機器の電力を引き出す方法が開示される。方法は、さらに、トランスデューサを介して振動を電流に変換すること、および電流に基づいて電力貯蔵素子において電荷を蓄積することを含む。詳細な実施形態では、方法は、トランスデューサから上流のパイプ内で流体の混乱を生成することを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】工業プロセスから電力を引き出すための発電素子を有するフィールド機器を含むプロセス制御システムの詳細な説明用実施形態の図である。
【図２】工業プロセスから電力を引き出すための発電素子を有するフィールド機器を含むプロセス制御システムの第２の詳細な説明用実施形態のブロック図である。
【図３】流体の混乱から電力を引き出すための流体の流れ混乱発生器および発電素子を含む発電システムの詳細な説明用実施形態の図である。
【図４】流体の混乱から電力を引き出すための流体の流れ混乱発生器および発電素子を含む発電システムの第２の詳細な説明用実施形態の図である。
【図５】流体の混乱から電力を引き出すための流体の流れ混乱発生器および発電素子を含む発電システムの第３の詳細な説明用実施形態の図である。
【図６】混乱生成分岐バーおよび付随する発電素子を有するプロセス流量計機器を含む発電システムの詳細な実施形態の断面図である。
【図７】プロセス流体の流れから電力を引き出すように適合された発電タービンへの開口部付き流体混乱生成素子を有するプロセス流量計機器を含む発電システムの一部分の、詳細な実施形態の図である。
【図８】図７の流体混乱生成素子を含むプロセス流量計機器の一部分の断面図である。
【図９】流体の流れから電力を引き出すためのタービンを含む発電システムの詳細な実施形態の図である。
【図１０】プロセスパイプに結合した圧力トランスデューサを含む発電システムの別の詳細な実施形態の図である。
【図１１】圧力トランスデューサを含む発電システムのさらに別の詳細な説明用実施形態の上面図である。
【図１２】図１１の発電システムの断面図である。
【図１３】パイプ内のオリフィス板に結合した発電システムの詳細な実施形態の断面図である。
【図１４】オリフィス板および付随する発電素子を含む発電システムの別の詳細な説明用実施形態の図である。
【図１５】図１４の発電素子の断面図である。
【図１６】流体の流れから電力を引き出すためのタービンを含む発電システムの別の詳細な説明用実施形態の図である。
【図１７】図１６の発電システムの上面図である。
【図１８】図１６の発電システムの底面図である。
【図１９】圧電素子を含む発電システムのまた別の詳細な説明用実施形態の図である。
【図２０】圧力／振動周波数調節特徴部を含む発電システムの詳細な説明用実施形態の上面図である。
【図２１】図２０の発電システムの断面図である。
【図２２】工業プロセスからプロセス機器の電力を引き出す方法の詳細な説明用実施形態の流れ図である。
【図２３】工業プロセスからプロセス機器の電力を引き出す方法の第２の詳細な説明用実施形態の流れ図である。
【０００９】
［説明用実施形態の詳細な説明］
図１は、工業プロセスから電力を引き出すための発電素子１１８を有するフィールド機器１０２を含むプロセス制御システム１００の詳細な説明用実施形態の図である。プロセス制御システム１００は、特定の実装によって、有線通信リンクまたはワイヤレス通信リンクであってもよい通信リンク１０６を介してフィールド機器１０２と通信するように適合された制御センタ１０４も含む。
【００１０】
フィールド機器１０２は、プロセス変数パラメータ、たとえば圧力、流体流量、温度、その他のプロセス変数パラメータ、またはその任意の組み合わせを監視するように適合されたプロセス機器またはプロセス制御トランスミッタ機器である。フィールド機器１０２は、プロセス流体１１２を運ぶパイプ１０８に結合する。フィールド機器１０２は、流体の混乱、たとえば混乱１１６を生成するように適合された流体混乱生成素子１１４、たとえば渦分岐バーまたはアニューバ（annubar）を含む。フィールド機器１０２は発電素子１１８を含み、それは流体の混乱１１６に関連する運動エネルギを、フィールド機器１０２によって用いることができる電流に変換するように適合される。
【００１１】
詳細な実施形態では、フィールド機器１０２は、発電素子１１８からの電流に基づいて電荷を蓄積するように適合されたバッテリまたは大容量キャパシタを含むことができる。蓄積された電荷は、フィールド機器１０２内の回路に電力を提供するために用いてもよい。詳細な例では、マイクロプロセッサ、表示インタフェース、その他の回路、またはその任意の組み合わせに、蓄積された電荷から電力を供給してもよい。一般に、発電素子１１８は、プロセス流体１１２からエネルギを取り入れるように適合される。取り入れられたエネルギは、電力貯蔵コンポーネントに保存され、その他の回路に電力を供給するために用いられ、またはその任意の組み合わせであることができる。
【００１２】
詳細な例では、フィールド機器１０２は、制御センタ１０４とワイヤレスで通信するように適合してもよい。この例では、フィールド機器１０２は、発電素子１１８からその動作電力を引き出してもよい。
【００１３】
図２は、有線またはワイヤレス通信路２０６を介して制御センタ２０４と通信するプロセストランスミッタ機器２０２を含むプロセス制御または監視システム２００の第２の詳細な説明用実施形態のブロック図である。プロセストランスミッタ機器２０２は、工業プロセスに関連付けられるパイプ２０８に結合する。パイプ２０８は、プロセス流体を運ぶ。プロセストランスミッタ機器２０２は、プロセス流体内で流体の混乱を生成するために、パイプ２０８内に配置される流体の流れ混乱発生器２１０に結合する。詳細な例では、流体の流れ混乱発生器２１０は、オリフィス板、アニューバ、渦分岐バー、ベンチュリ管、その他の流れの混乱素子、またはその任意の組み合わせであることができる。プロセストランスミッタ機器２０２は、流体の流れ混乱発生器２１０に結合してもよく、または流体の混乱を受けるように流体の流れ混乱発生器２１０に関連して配置してもよい発電素子２１２と通信するようにも適合される。詳細な実施形態では、発電素子２１２は、パイプ２０８内を流れるプロセス流体に起因する振動、流体の流れ混乱発生器２１０に起因する流体の混乱、流体の流れ混乱発生器２１０の動き、圧力変動、またはその任意の組み合わせから、電流を生成するように適合される。
【００１４】
プロセストランスミッタ機器２０２は、制御センタ２０４と通信するように適合された入力／出力（Ｉ／Ｏ）インタフェース回路２１４を含むフィールド機器である。通信路２０６が有線通信路であるとしたら、Ｉ／Ｏインタフェース回路２１４は、配線をプロセストランスミッタ機器２０２に物理的に結合するためのワイヤコネクタを含んでもよい。通信路２０６がワイヤレス通信路であるとしたら、Ｉ／Ｏインタフェース回路２１４は、ワイヤレス信号の発信および受信用のアンテナを含むことができる。プロセストランスミッタ機器２０２は、Ｉ／Ｏインタフェース回路２１４に結合したトランシーバ回路２１６も含む。トランシーバ回路２１６は、データを生成し、およびＩ／Ｏインタフェース回路２１４を介して制御センタ２０４へデータを発信し、そこからデータを受けるように適合される。
【００１５】
プロセストランスミッタ機器２０２は、さらに、プロセストランスミッタ機器２０２の動作を制御するように適合されたプロセッサ回路２１８を含む。詳細な例では、プロセッサ回路２１８は、センサ回路２２０と通信するように、およびセンサ回路２２０から受信した計測情報を処理するように適合される。プロセッサ２１８は、メモリ２２２に保存された較正データ２３６を用いてセンサ回路２２０からの計測情報を処理する（調整する）、またはそうでなければ較正するように、ならびに、処理された計測データを処理データ２３４としてメモリ２２２に保存するように適合してもよい。プロセッサ２１８は、処理された計測データをトランシーバ回路２１６に提供して、Ｉ／Ｏインタフェース回路２１４を介して制御センタ２０４へデータを送信してもよい。
【００１６】
プロセストランスミッタ機器２０２は、発電素子２１２から電流を受けるように適合された電力変換器２２４も含む。詳細な実施形態では、電力変換器２２４は、ブリッジ整流器およびフィルタリング回路を含むことができる。電力変換器２２４は、整流電源を電力貯蔵コンポーネント２２６に提供し、それはバッテリ、大容量キャパシタ、別の電荷貯蔵コンポーネント、またはその任意の組み合わせであってもよい。プロセストランスミッタ機器２０２は、電力貯蔵コンポーネント２２６から、表示インタフェース２３０、たとえば液晶表示（ＬＣＤ）機器、発光ダイオード（ＬＥＤ）表示インタフェース、その他のローカル表示コンポーネント、またはその任意の組み合わせに電力を提供するように適合された電力調整器２２８を含む。電力調整器２２８は、電力貯蔵コンポーネント２２６から、プロセッサ回路２１８、（図示しないリンクを介して）トランシーバ回路２２６、その他の回路２３２、またはその任意の組み合わせへ電力を提供してもよい。
【００１７】
詳細な例では、プロセストランスミッタ機器２０２は、ワイヤレス通信路２０６を介して制御センタ２０４とワイヤレスで通信する。プロセストランスミッタ機器２０２は、パイプ２０８を通って流れるプロセス流体に関連する振動またはその他の運動エネルギから電流を生じる発電素子２１２から動作電力を生成する。プロセストランスミッタ機器２０２は、電力変換器２２４において電流を受け、電力貯蔵素子２２６における電流に基づいて電荷を蓄積および保存する。プロセストランスミッタ機器２０２は、電力調整器２２８を用いてメモリ２２２、プロセッサ回路２１８、センサ回路２２０、トランシーバ回路２１６、およびＩ／Ｏインタフェース回路２１４に電力を提供して、プロセス変数パラメータを計測し、および計測したプロセス変数パラメータに関係するデータを、ワイヤレス通信路２０６を介して制御センタ２０４と通信する。
【００１８】
別の詳細な実施形態では、プロセストランスミッタ機器２０２は、有線通信路、たとえば通信路２０６を介して制御センタ２０４から動作電力を受ける。プロセストランスミッタ機器２０２は、電力変換器２２４を介して整流され、電力貯蔵コンポーネント２２６に保存される発電素子２１２から余剰動作電力も引き出す。電力調整器２２８は、余剰電力を表示インタフェース２３０およびその他の回路２３２に提供するように適合される。詳細な例では、発電素子２１２からの余剰電力は、ローカルデータ処理用のプロセッサ回路２１８に電力を提供するために用いることができる。別の詳細な例では、発電素子２１２からの余剰電力は、プロセストランスミッタ機器２０２の技術者による使用のためのプロセス変数データの視覚的表示を提供することができるローカルディスプレイ、たとえば表示インタフェース２３０に電力を提供するために用いることができる。余剰電力は、試験および部分的なオンデマンド計測を行うために用いてもよく、技術者がプロセストランスミッタ機器２０２と相互作用して、プロセス変数パラメータの計測を引き起こすこと、および表示インタフェース２３０を介して計測したプロセス変数トランスミッタに関係するデータを受けることを可能にする。
【００１９】
図３は、流体の流れ混乱発生器、たとえばアニューバ３０２を含み、および発電素子３０４を含む発電システム３００の詳細な説明用実施形態の図である。発電素子３０４は、アニューバ３０２に取り付けられ、磁界を提供するように適合されたｕ字型磁石３０６を含む。発電素子３０４は、さらに、ｕ字型磁石３０６に対して振動および流体の混乱に応じて磁界内で移動するように適合された導電性コイル３０８を含む。
【００２０】
詳細な実施形態では、アニューバ３０２および発電素子３０４は、工業プロセスに関連するパイプ内に配置される。プロセス流体がアニューバ３０２の周りを流れるので、アニューバ３０２は流れを妨げて、プロセス流体が分離すること、ならびにアニューバ３０２の各側面に沿っておよびその後方に交互に分岐するプロセス流体の流れにおいて小さい渦または渦巻きを生成することの原因となる。いくつかの事例では、交互の”分岐する”流体の流れは、センサによって検出することができる圧力変動の原因となる。加えて、圧力変動は、ｕ字型磁石３０６に対する導電性コイル３０８の動きという結果になる可能性があり、導電性コイル３０８内の電流の流れを誘導する。誘導された電流の流れは、電力変換器回路、たとえば図２に図示される電力変換器２２４に提供することができる。
【００２１】
詳細な実施形態では、発電システム３０４は、余剰電力、動作電力、またはその任意の組み合わせを生成するために用いることができる。このように生成された電力は、フィールド機器、たとえば図１に図示されるフィールド機器１０２または図２に図示されるプロセストランスミッタ機器２０２内の回路に電力を提供するために用いてもよい。
【００２２】
図４は、工業プロセスに関連するパイプ内に配置することができる流体の流れ混乱発生器、たとえばアニューバ４０２を含む発電システム４００の第２の詳細な説明用実施形態の図である。発電システム４００は、さらに、アニューバ４０２が原因となった流体の混乱に応じて電流を生成するように適合された発電素子４０４を含む。発電素子４０４は、アニューバ４０２に結合した取付部４０６を含む。取付部４０６は、第１の発電機４１０と第２の発電機４１２との間に挟持された振動ビーム４０８を含む。第２の発電機４１２は、音声コイル４１４および音声コイル４１４の軸に沿って移動するように位置づけられた可動式磁石４１６を含んで、音声コイル４１４で電流を誘導する。第１の発電機４１０も、音声コイルおよび可動式磁石を含んでもよい。代替実施形態では、第１の発電機４１０および第２の発電機４１２は、振動ビーム４０８内の開口部（図示せず）を通って移動するように適合してもよい音声コイル４１４および可動式磁石４１６を共有してもよい。
【００２３】
詳細な実施形態では、アニューバ４０２の周りのプロセス流体の流れが原因となった流体の渦巻きは、振動ビーム４０８が振動する原因となる。振動ビーム４０８の運動は、可動式磁石４１６が音声コイル４１４に対して移動する原因となり、電流が音声コイル４１４内を流れるように誘導する。詳細な例では、音声コイル４１４は、プロセス機器の筐体、たとえば図２に図示されるプロセストランスミッタ機器２０２に関連する筐体内の電力変換器および電力貯蔵素子に結合してもよい。
【００２４】
図５は、流体の流れ混乱発生器５０２を含み、および発電素子５０４を含む発電システム５００の第３の詳細な説明用実施形態の図である。発電素子５０４は、パッケージ５０６の内部で片持ち梁状に形成された圧電結晶ビームを収容するように適合された成形パッケージ５０６を含む。圧電結晶ビームは、一般的に、５０８に表示される。詳細な実施形態では、成形パッケージ５０６はステンレス鋼から形成してもよく、圧電結晶ビーム５０８は成形パッケージ５０６内に配置され、および薄いゴムパッド（図示せず）の間に挟持されてもよい。発電素子５０４は、流体の流れ混乱発生器５０２にレーザ溶接されてもよい。詳細な実施形態では、発電素子５０４は、流体の混乱に応じて振動する。発電素子５０４の振動は、成形パッケージ５０６内の圧電結晶ビーム５０８が電流を生成する原因となる。詳細な例では、圧電結晶ビーム５０８からの電流は、電力変換器およびプロセストランスミッタ内の電力貯蔵素子、たとえば図２に図示される電力変換器２２４およびプロセストランスミッタ機器２０２の電力貯蔵コンポーネント２２６に提供してもよい。
【００２５】
図６は、混乱生成素子、たとえばアニューバ６１６を有するプロセス流量計機器６００を含む発電システムの詳細な実施形態の断面図である。プロセス流量計機器６００は、発電素子６２０も含む。プロセス流量計機器６００は、工業プロセスの流体の流れと繋がるように適合されて、流体流量を判断する。プロセス流量計機器６００は、筐体カバー６０４に結合した筐体６０２を含む。筐体６０２および筐体カバー６０４は、発電素子６２０およびその他の回路（図示せず）を収容するように適合されたキャビティ６０５を画定する。筐体６０２は、工業プロセスに関連する構造物、たとえばパイプに筐体６０２を固定するための留め具（たとえば、ボルト）を受けるように適合された、それぞれの開口部６０８および６０９付きのフランジ部６０６および６０７を含む。プロセス流量計機器６００は、さらに、ハウジング６０２およびＯリングシール６１２に結合したアニューバ取付結合体６１０を含んで、アニューバ取付結合体６１０の周りの流体がキャビティ６０５の中へ流れるのを防止する。プロセス流量計機器６００は高圧回転シール６１４も含んで、プロセス流体からキャビティ６０５をさらに隔離し、プロセス流体が、プロセス流量計機器６００とパイプ、たとえば図１に図示されるパイプ１０８との間の結合においてパイプから漏れるのを防止する。
【００２６】
プロセス流量計機器６００は、ねじればねアンカー６１９に結合したねじればね６１８を含む。ねじればね６１８は、発電素子６２０に関連する張力を調節するために用いられてもよく、それは振動周波数、減衰張力、ばねの張力、または可動式磁石６２２に印加されるその他の力を調節することがある。発電素子６２０は、アニューバ６１６から受けた振動に応じて、内側音声コイル６２４および外側音声コイル６２６に関連する軸に沿って移動するように適合された可動式磁石６２２を含む。発電素子６２０はキャビティ６０５の発電室６２８内に配置され、アニューバ６１６から受けた振動に応じて、内側および外側音声コイル６２４および６２６内の電流を生成するように適合される。詳細な実施形態では、電流は、筐体６０２内の電力変換器に提供してもよく、電力貯蔵コンポーネント、たとえば図２に図示される電力変換器２２４および電力貯蔵コンポーネント２２６に保存してもよい。
【００２７】
図７は、プロセス流体の流れから電力を引き出すように適合された発電タービン７１０（図８および９に図示される）への開口部７０６を有する差圧生成バー、たとえばアニューバ７０２を含むプロセス流量計機器の発電システム７００の詳細な実施形態の図である。発電システム７００は、プロセス流量計機器の筐体（たとえば、図６に図示される筐体６０２）に結合するように適合されたアニューバ結合体７０４を含む。発電システム７００は、電流発生器７０８の一部分も図示する。詳細な例では、電流発生器７０８の一部分は、電力変換器回路（たとえば、図２に図示される電力変換器２２４）を含んでもよい。
【００２８】
詳細な実施形態では、プロセス流体は、アニューバ７０２内の開口部７０６の中へ流れ、発電タービン７１０を回転させて、電流発生器７０８に提供することができる電流を生じさせて、プロセス流量計機器に関連する回路に電力を提供して動作電力を提供する。
【００２９】
図８は、差圧生成バー、たとえば図７に図示されるアニューバ７０２を含むプロセス流量計機器の発電システム７００の断面図８００である。発電システム７００は、電流発生器７０８に結合した発電タービン７１０への開口部７０６を含む。電流発生器７０８は、留め具８２２、たとえばねじ切りされたボルトを介してアニューバ結合体７０４に結合したフランジ部８２０を含む。詳細な実施形態では、プロセス流体は、開口部７０６を通って発電タービン７１０の周りを流れ、発電タービン７１０が回転する原因となる。発電タービン７１０の回転は、運動エネルギを電流に変換する電流発生器７０８へ運動エネルギを提供する。
【００３０】
図９は、発電タービン７１０および付随フランジ部８２０付きの電流発生器７０８を含む発電システム９００の詳細な実施形態の図である。発電タービン７１０は、開口部、たとえば図７および８に図示される開口部７０６を通って流れるプロセス流体に応じて発電タービン７１０を回転させるように適合された第１のタービンブレード９３０、第２のタービンブレード９３２、および第３のタービンブレード９３４を含む。
【００３１】
詳細な例では、プロセス流体は、発電タービン７１０の周りを流れ、第１、第２、および第３のタービンブレード９３０，９３２，および９３４は、発電タービン７１０が回転する原因となる。このような回転は、電流発生器７０８によって電流に変換することができる運動エネルギを表す。電流は、電力変換器および電力貯蔵コンポーネント、たとえば図２に図示される電力変換器２２４および電力貯蔵コンポーネント２２６に提供することができる。
【００３２】
図１０は、プロセスパイプ１００４に結合した発電機器１００２を含む発電システムの図である。発電機器１００２は、ねじ切りされた留め具１００８を介してパイプ延長部１０１０に結合した圧力トランスデューサ１００６を含む。圧力トランスデューサ１００６は、プロセスパイプ１００４内のプロセス流体からの流体圧力パルスを、ワイヤ１０１２によって伝えることができる電流に変換するように適合される。詳細な例では、ワイヤ１０１２は、電力変換器および／または電力貯蔵コンポーネント、たとえば図２に図示される電力変換器２２４および電力貯蔵コンポーネント２２６に結合することができる。
【００３３】
詳細な例では、パイプ延長部１０１０は、プロセス流体に関連する音響ノイズを発電機器１００２に向けるように適合された共鳴パイプであってもよい。この事例では、圧力トランスデューサ１００６は、音響ノイズを受けるように、および音響ノイズに関連する圧力変動から電流を生成するように適合することができる。詳細な例では、関連する音響振動周波数は、６０から８０ヘルツの範囲内であってもよい。別の詳細な例では、パイプ延長部は、発生する可能性がある定常波を活用するように構成してもよい。特に、パイプ延長部１０１０の長さ（Ｌ）は、発電機器１００２が同調させる所望の周波数範囲内にノイズを集中させるように選択してもよい。詳細な例では、音響振動の周波数（Ｆ）は、音声の速度（Ｖｓｏｕｎｄ）によってパイプ延長部の長さ（Ｌ）と関係し、所望の長さＬは次の方程式により決定することができる：
Ｌ＝Ｖｓｏｕｎｄ／Ｆ  （方程式１）。
プロセスパイプ内の定常波は、音響ノイズが変動する原因となることがある。このような変動は、圧電素子、コイルおよび磁石が互いに対して移動するコイル／磁石システム、別のトランスデューサ、またはその任意の組み合わせによって電流に変えることができる。
【００３４】
図１１は、発電システム１１００の第２の詳細な説明用実施形態の上面図である。発電システム１１００は、ばねとして機能するように適合されたダイヤフラム１１０４を有する発電機器１１０２を含む。発電機器１１０２は、発電システム１１００の筐体１１０６内に配置された電流発生器１１０８も含む。筐体１１０６は、筐体１１０６をパイプに取り付けるために用いることができるパイプねじ切り部１１１２およびナット部１１１０を含む。筐体１１０６は、高圧開口部１１１４も含む。
【００３５】
図１２は、図１１の発電システム１１００の断面図１２００である。発電システム１１００は、パイプねじ切り部１１１２およびナット部１１１０を有するハウジング１１０６を含む。発電システム１１００は、プロセス流体を運ぶパイプ１２０２に結合する。パイプ１２０２は、プロセス流体が通って流れることができる開口部（オリフィス）を有するオリフィス板１２０６を含む。パイプ１２０２は、管１２０４を介して発電システム１１００の高圧開口部１１１４に結合した高圧開口部１２１０も含む。発電システム１１００は、さらに、ダイヤフラム１１０４および電流発生器１１０８を含む。電流発生器１１０８は、磁石ハウジング１２２２内の中央磁石１２２０を含み、中央磁石１２２０および磁石ハウジング１２２２の周りに音声コイル１２２４を含む。パイプねじ切り部１１１２は、パイプ１２０２の壁面を通って伸び、パイプ１２０２と結合するように適合されたロックナット１２２８を含む。ロックナット１２２８は、磁石ハウジング１２２２を介して中央磁石１２２０に結合したバルブ１２２６へ伸びる流体キャビティ１２３０を取り囲む。
【００３６】
詳細な実施形態では、発電システム１１００は、工業プロセス流体を運ぶパイプ１２０２内のオリフィス板１２０６の低圧側でパイプに結合する。高圧開口部１１１４は、管１２０４および高圧開口部１２１０を介してオリフィス板１２０６の高圧側に結合する。初期状態では、ダイヤフラム１１０４は、磁石１２２０および磁石ハウジング１２２２が下方へ移動してバルブ１２２６が閉まる原因となる。プロセス流体の圧力が特定のレベルまで強まるとき、流体圧力はダイヤフラム１１０４の下方への力を克服する。流体圧力は、低圧開口部１２３０を介してバルブ１２２６において圧力が発散されるまで、中央磁石１２２０を上方へ押す。低圧バルブ１２２６が再び閉まり、電流発生器１１０８は一連の行為を繰り返す。中央磁石１２２０は音声コイル１２２４の軸１２５０に沿って並進するので、中央磁石１２２０の動きはバルブ１２２６の開閉に起因して、電流を音声コイル１２２４内で流れるように誘導する。一般に、発電システム１１００は、図１２に示すようにパイプ１２０２の外側に設置することができる。別の詳細な実施形態では、発電システム１１００は、プロセスパイプ１２０２内に設置することができる。
【００３７】
図１３は、発電システム１３００の詳細な実施形態の断面図である。発電システム１３００は、オリフィス板１３４２に結合した発電器１３０２を含む。オリフィス板１３４２は、プロセス流体を運ぶパイプ１３４０内に位置づけられる。オリフィス板１３４２は、プロセス流体が通って流れることができる開口部（オリフィス）１３４４を含む。オリフィス板１３４２は、オリフィス板を通って発電器１３０２の高圧開口部１３１０へ伸びる高圧開口部１３４６も含む。発電器１３０２は、ダイヤフラム１３０４および電流発生器１３０８を含む。電流発生器１３０８は、磁石ハウジング１３２２内の中央磁石１３２０を含み、中央磁石１３２０および磁石ハウジング１３２２の周りの音声コイル１３２４を含む。パイプねじ切り部１３１２は、磁石ハウジング１３２２を介して中央磁石１３２０に結合したバルブ１３２６へ伸びる流体キャビティ１３３０を取り囲む。
【００３８】
詳細な実施形態では、発電器１３０２はオリフィス板１３４２に結合し、オリフィス板１３４２の低圧側でプロセス流体圧力を受けるように適合される。流体圧力パルスは、バルブ１３２６を押し、中央磁石１３２０および磁石ハウジング１３２２が音声コイル１３２４に対して移動する原因となり、電流が音声コイル１３２４内で流れるように誘導する。ダイヤフラム１３０４は、磁石１３２０および磁石ハウジング１３２２の運動に抵抗し、磁石１３２０を下方へ押してバルブ１３２６を閉める。プロセス流体圧力が特定のレベルまで強まるとき、中央磁石１３２０は、圧力がバルブ１３２６を過ぎて低圧開口部１３３０を通って発散されるまで上方へ押され、ダイヤフラム１３０４は、磁石１３２０および磁石ハウジング１３２２が下方へ移動する原因となってバルブ１３２６を閉める。低圧開口部１３３０は、圧力発散を提供して、圧力を均等にし、およびダイヤフラム１３２０がバルブ１３２６を閉めるのを可能にする。発電機器１３０２の結果として生じる動作は、バルブ１３２６の開閉に起因して、流体圧力パルスに応じて音声コイル１３２４の中央の軸１３５０に沿って中央磁石１３２０を並進させる。音声コイル１３２４に対する中央磁石１３２０の並進は、音声コイル１３２４内で電流が流れるように誘導する。
【００３９】
図１４は、オリフィス板１４０２および付随発電素子１４０６を含む発電システム１４００の別の詳細な説明用実施形態の図である。オリフィス板１４０２は、差圧を作り出すために、工業プロセスのパイプ内に配置されてもよい。オリフィス板１４０２は、開口部またはオリフィス１４０４を含み、発電素子１４０６は、開口部１４０４に隣接して配置される。発電素子１４０６は、第１のダイヤフラム１４１２および第２のダイヤフラム１４１４を含む。発電素子１４０６は、さらに、第１および第２のダイヤフラム１４１２および１４１４の間に挟持された固定式音声コイル１４１８および可動式磁石１４１６を含む。発電素子１４０６は、オリフィス板１４０２内のワイヤ開口部１４２２に結合するように適合されたワイヤ開口部１４２０を含む。詳細な例では、ワイヤは音声コイル１４１８に結合し、ワイヤ開口部１４２０および１４２２を通ってねじ込まれて、パイプの外部の電力貯蔵素子への配線の経路を決める。
【００４０】
詳細な例では、オリフィス板１４０２は、プロセス流体内で流体差圧および流体の流れの混乱を生じる流体の流れの障害を意味する。流体差圧および／または流体の流れの混乱は、第１および第２のダイヤフラム１４１２および１４１４に時変圧力をかけ、磁石１４１６が音声コイル１４１８に対して上下に移動する原因となる。磁石１４１６のこのような動きは、音声コイル１４１８内の電流の流れを誘導し、それはワイヤ開口部１４２０および１４２２を通って電力貯蔵素子へ伸びるワイヤによって伝えることができる。
【００４１】
図１５は、図１４に図示される発電素子１４０６の断面図１５００である。さらに、発電素子１４０６は、第１のダイヤフラム１４１２、第２のダイヤフラム１４１４、ならびに第１および第２のダイヤフラム１４１２および１４１４の間に挟持された磁石１４１６を含む。発電素子１４０６は、さらに、磁石１４１６の周りに配置される音声コイル１４１８を含む。磁石１４１６は、嫌気性エポキシを介して磁石１４１６に結合することができる、第１の磁石ホルダ１５３０および第２の磁石ホルダ１５３４を含む。発電素子１４０６は、音声コイル１４１８にワイヤを固定して音声コイル１４１８に対する磁石１４１６の動きからエネルギを取り入れるためのワイヤ開口部１４２０およびワイヤリベット１５４０も含む。
【００４２】
詳細な実施形態では、第１の磁石ホルダ１５３０および第２の磁石ホルダ１５３４は、それぞれ、第１および第２のダイヤフラム１４１２および１４１４にレーザ溶接されてもよい。別の詳細な実施形態では、発電素子１４０６は、ベンチュリ管または別の差圧生成素子、たとえばアニューバに対して配置してもよい。
【００４３】
図１６は、流体の流れから電力を引き出すためのタービン１６１０を含む発電システム１６００の第３の詳細な説明用実施形態の図である。発電システム１６００は、ナット部１６０４およびパイプ部１６０６を含む筐体１６０２を含む。パイプ部１６０６は、プロセス流体がタービン１６１０にアクセスすることを可能にする流体開口部１６０８を含む。筐体１６０２は、さらに、タービン１６１０からの回転エネルギを、プロセストランスミッタ機器、たとえば図２に図示されるプロセストランスミッタ機器２０２のさまざまな回路の構成要素に電力を提供するために用いることができる電流に変換するために、タービン１６１０に結合した電流発生器１６１２を含む。
【００４４】
図１７は、図１６の発電システム１６００の上面図１７００である。発電システム１６００は、ナット部１６０４およびパイプ部１６０６を有する筐体１６０２を含む。筐体１６１０は、電流発生器１６１２も含む。パイプ部１６０６は、タービン１６１０への流体アクセスを可能にするための流体開口部１６０８を含む。パイプ部１６０６は、さらに、プロセス流体が流体開口部１６０８を通って、タービン１６１０の周りを、および第２の開口部１７１０を通って流れるのを可能にするための第２の開口部１７１０を含む。
【００４５】
図１８は、図１６の発電機器１６００の底面図１８００である。底面図１８００は、ハウジング１６０２のナット部１６０４およびパイプ部１６０６を含む。パイプ部１６０６は、タービン１６１０に収まるサイズにされた開口部１８０２を画定する。タービン１６１０は、プロセス流体の流れに応じてタービン１６１０を回転するように適合された第１のブレード１８２０、第２のブレード１８２２、および第３のブレード１８２４を含む。
【００４６】
詳細な実施形態では、タービン１６１０は、プロセス流体がタービン１６１０の周りを流れることができるようにするため、開口部１６０８および第２の開口部１７１０が正しい位置に置かれるように、プロセスパイプ内に配置されることができる。タービン１６１０は、プロセス流体の流れに応じて回転する。タービン１６１０の回転は、電流発生器１６１２によって電流に変換することができる運動エネルギを生じる。電流は、電力貯蔵コンポーネント、たとえば図２に図示される電力貯蔵コンポーネント２２６に保存してもよい。代替として、電流は、たとえば、制御システムと通信するように適合されたトランシーバ回路、ならびに、プロセス流体に関係するローカル測定値、たとえば流量、圧力測定値、その他のデータ、またはその任意の組み合わせを提供するように適合されたローカルインタフェース回路を含む、発電機器１６００に結合した回路に電力を供給するために用いてもよい。
【００４７】
図１９は、発電システム１９００の第４の詳細な説明用実施形態の図である。発電システム１９００は、パイプ部１９０２、ナット部１９０４、ロックナット部１９０６、および発電器部１９０８を含む。発電器部１９０８は、圧電発電器１９１６に対してダイヤフラム１９１４を固定するために、リング１９１２を含む。発電器部１９０８は、さらに、圧電発電器１９１６を固定するために、留め具、たとえばねじ１９１９を含む。詳細な例では、圧電発電器１９１６は、圧電結晶ビームである。
【００４８】
発電機器１９００は、さらに、開口部１９１８および開口部１９１８にわたって伸びるピン１９２０を含む。ピン１９２０は、非対称の垂直な流れを生成するためのアニューバまたは渦分岐バーとして機能し、それはダイヤフラム１９１４がプロセス流体における変動に応じて振動する原因となる。このような変動は、ダイヤフラム１９１４が移動すること、および圧電発電器１９１６内で電流の流れを誘導すること、の原因となる。詳細な実施形態では、圧電発電器１９１６は、ダイヤフラム１９１４と振動してもよく、圧電発電器１９１６内で電流の流れを誘導する。
【００４９】
図２０は、発電システム２０００に関連する圧力および／または振動周波数を変更するために回すことができる圧力／振動周波数調節ねじ２０１０を含む発電システム２０００の詳細な説明用実施形態の上面図である。発電システム２０００は、ナット部２００４およびパイプ部２００６を有する筐体２００２を含む。筐体２００２は、差圧生成機器、たとえばアニューバ、オリフィス板、別の差圧生成機器、またはその任意の組み合わせの高圧側に結合してもよい高圧開口部２００８も含む。発電システム２０００は、さらに、圧力／振動周波数調節ねじ２０１０およびロックナット２０１２を含んで、圧力／振動周波数調節ねじ２０１０を筐体２００２に結合する。筐体２００２は、プロセス流体から電流を生じるように適合された電流発生器２０１４を収容するように適合される。
【００５０】
詳細な実施形態では、発電システム２０００は、工業プロセスのパイプに結合して、パイプから受けた運動エネルギに関係する電流を生じる。詳細な例では、発電システム２０００は、流体圧力、振動、およびその他のプロセス流体パラメータから電流を生じるように適合される。
【００５１】
図２１は、図２０の発電システム２０００の断面図２１００である。発電システム２０００は、圧力／振動周波数調節ねじ２０１０、ロックナット２０１２、ならびにナット部２００４およびパイプ部２００６を含む筐体２００２を含む。筐体２００２は高圧開口部２００８を含み、電流発生器２０１４を収容するように適合される。発電機器２０００は、ばね２１２２およびばねカバー２１２４を含むピストン２１２０を含む。電流発生器２０１４は、音声コイル２１３０によって取り囲まれた磁石ハウジング２１２６内の磁石２１２６を含む。磁石ハウジング２１２６は、圧力開口部２１３２に対してバルブとして機能するように適合される。発電システム２０００は、さらに、プロセスパイプに結合するためのロックねじ２１３４を含む。
【００５２】
詳細な実施形態では、発電システム２０００は、プロセスパイプに結合し、高圧開口部２００８にてプロセス流体を受けるように適合される。プロセス流体に関連する流体圧力は、磁石ハウジング２１２８および磁石２１２６が上方へ移動する原因となる。このような動きは、ばね２１２２を縮ませる。磁石ハウジング２１２８が十分に移動するとき、高い圧力は低圧開口部２１３２を通って発散され、ばね２１２２は、磁石２１２６および磁石ハウジング２１２８を下方へ押し、低圧開口部２１３２を閉じることによって、バルブに低圧開口部２１３２を閉めさせる。流体圧力は、再び、バルブを反対に押して、磁石ハウジング２１２８および磁石２１２６が上方へ移動する原因となり、そのサイクルは繰り返される。音声コイル２１３０に対する磁石２１２６の動きは、音声コイル２１３０内の電流を誘導し、それは電力貯蔵コンポーネントに保存され、およびさまざまな回路に電力を供給するために用いられてもよい。たとえば、音声コイル２１３０は、電力変換器および電力貯蔵コンポーネント、たとえば図２に図示される電力変換器２２４および電力貯蔵コンポーネント２２６に結合することができる。詳細な実施形態では、発電システム１８００は、オリフィス板または別の差圧生成機器の低圧側に設置される。高圧開口部２００８は、オリフィス板または他方の差圧生成機器の高圧側に結合する。
【００５３】
図２２は、工業プロセスからプロセス機器の電力を引き出す方法の詳細な説明用実施形態の流れ図である。２２０２において、流体の流れに関係する振動は、工業プロセスに関連するパイプ内のプロセス流体に結合したフィールド機器のトランスデューサにおいて受ける。２２０４に進んで、振動は、トランスデューサを介して電流に変換される。２２０６へと続き、電荷は、電流に基づいて電力貯蔵素子に蓄積される。２２０８へ進むと、プロセス変数は、フィールド機器に関連するプロセス変数センサにて感知される。２２１０に移動すると、プロセス変数に関係するデータは、トランシーバ回路を用いて制御システムへ発信される。この方法は、２２１２で終了する。
【００５４】
詳細な実施形態では、方法は、さらに、感知されたプロセス変数に関係するデータを表示するために、フィールド機器の表示インタフェースに電力貯蔵素子から電力を提供することを含む。別の詳細な例では、プロセス変数センサおよびトランシーバ回路は、電力貯蔵素子から電力を供給される。
【００５５】
詳細な実施形態では、トランスデューサは、電流を生じるために、流体圧力に応じて収縮するように適合された圧電コンポーネントである。別の詳細な例では、トランスデューサは、固定式導電性コイル、および、流体圧力に応じて固定式導電性コイルに対して移動するように適合された可動式磁石を含み、電流が固定式導電性コイルを通って流れるように誘導する。別の例では、トランスデューサは、可動導電性コイルおよび固定磁石を含んでもよい。詳細な例では、トランスデューサは、プロセス流体に結合し、および可動式磁石または可動式導電性コイルの位置を変更するために、流体圧力に応じて移動するように適合された隔離ダイヤフラムを含んでもよい。さらに別の詳細な例では、トランスデューサは、圧電発電器内の電流の流れを誘導するために、流体圧力に応じて移動するように適合されたダイヤフラムを含んでもよい。別の例では、トランスデューサは、可動式磁石に結合し、および可動式磁石が固定式導電性コイルの軸に沿って往復する原因となるように適合された、調節可能なばねを含むことができる。別の詳細な実施形態では、トランスデューサは、電流に変換することができる運動エネルギを生じるために、プロセス流体の流れに応じて回転するように適合されたタービンを含む。タービンは、プロセス流体がタービンの周りを流れることを可能にする開口部を有する流量計内に含まれてもよい。
【００５６】
図２３は、工業プロセスからプロセス機器の電力を引き出す方法の第２の詳細な説明用実施形態の流れ図である。２３０２において、運動エネルギを、工業プロセスに結合した発電素子において受ける。運動エネルギは、渦分岐、プロセス流体の流れノイズ、音響ノイズ、プロセス振動、圧力変動、その他の流体の混乱、その他の運動エネルギ源、またはその任意の組み合わせから受けてもよい。詳細な実施形態では、運動エネルギは、プロセス制御計測トランスミッタ、たとえば流量計または圧力トランスデューサに付随することができる流体混乱生成素子（たとえば、一次素子）による、プロセス流体の流れにおける混乱から引き出してもよい。このようなプロセス制御計測トランスミッタは、流体の混乱、たとえば差圧を生成するために、プロセス流体フローの流れの内に位置づけられる一次素子を含んでもよい。一次素子は、オリフィス板、アニューバまたは渦分岐バー、ベンチュリ管、その他の流れ混乱生成素子、あるいはその任意の組み合わせを含むことができる。
【００５７】
２３０４に移動すると、運動エネルギは、トランスデューサを介して電流に変換される。詳細な例では、運動エネルギは、圧電結晶ビーム発電器、磁石／音声コイル発電器、タービン発電器、別の電気的トランスデューサ、またはその任意の組み合わせを用いて変換してもよい。２３０６へと続き、電荷は、電流に基づいて電力貯蔵素子に蓄積される。詳細な例では、電力貯蔵素子は、バッテリ、キャパシタ、別の電力貯蔵コンポーネント、またはその任意の組み合わせであってもよい。
【００５８】
２３０８へ進むと、電力は、電力貯蔵素子から少なくとも１つの回路に提供される。詳細な例では、電力調整器回路は、電力貯蔵素子から表示インタフェース（たとえば、発光ダイオードディスプレイ、液晶ディスプレイ、別の表示インタフェース、またはその任意の組み合わせ）に電力を向けてもよい。別の詳細な例では、電力貯蔵素子は、中央制御システムから電力を取ることなくさまざまな機能を行うために、余剰電力をプロセッサまたはその他の回路に提供してもよい。この方法は、２３１０で終了する。
【００５９】
本発明を好ましい実施形態を参照して説明してきたが、当業者には、本発明の精神および範囲から逸脱しない範囲で、形態および詳細において改変がなされてもよいことが認識される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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