JP4740230B2 - 高圧プロセス流体に使用するための流量計 - Google Patents

Description

発明の背景
本発明は、流体の流量を計測するための渦流量計に関し、特に、高圧プロセス流体に使用するための流量計に関する。

種々の差圧感知型渦流量計が開発されており、これらは、流体流中に配置された緩衝体又は放出バーがその放出バーの両側で交互に渦を発生させ、バーの各側で圧力の変動を生じさせる原理で作動する。個々のバー形状特性に関する渦放出の周波数が流れの中の流速に正比例する。

渦流量計は従来技術で公知であり、渦流量計の具体例が、引用例として本明細書に取り込む、１９９０年５月２日にKlevenらに発行された米国特許第４，９２６，６９５号、１９９４年９月６日にBeulkeに発行された米国特許第５，３４３，７６２号に見ることができる。

通常、流体流量を計測するための渦流量計は、流体を運ぶための内孔を取り囲む壁を有する導管を含む。壁は、その中に形成された厚みを減らした壁領域を有する。厚みを減らした壁領域は、「剛性を落とした領域」又は「撓曲部」と呼ばれることもある。放出バーが内孔中に配置されている。典型的な実施態様では、放出バーは、上流側端部と、下流側端部と、上流側及び下流側両端部を接続する中間部とを含む。中間部は、上流側端部の周囲で流体流によって流体内に形成される乱流又は渦に応答して撓曲して、下流側端部の少なくとも一部の動きを促進する、剛性を落とした領域を含む。このような流量計はさらに、動きを感知し、その関数として出力を提供する、下流側端部に結合された感知手段を含む。一般に、感知手段は、横方向の動きを感知し、内孔から離れる方向に壁領域から延びる支柱に脱着自在に取り付けられ、この支柱が動きを感知手段に伝達する。

渦流量計がプロセス圧保持（強度）要件を満たすことを保証する一つの方法が、the American Society of Mechanical Engineers (ASME) Boiler Pressure Vessel Code (BPVC)に記載されている。計器が所与の圧で有する安全係数を決定するため、典型的な設計の計器が、その構造が破裂するまで加圧される。製造された最初の計器ボディの試験から係数が導出され、装置を製造するために使用された材料の種々の要因に基づいて計算が実施される。たとえば、組成及び製造法をはじめとする材料特性が要素として計算に組み込まれて、装置が定格を受けることができる最大圧が決定される。

高めの圧力の場合、撓曲部はしばしば、高めの圧に暴露されたとき引き裂ける又は破裂するおそれのある、構造中の弱点を呈する。撓曲部は、緩衝体又は放出バーに結合された支柱の動きを許すのに十分な薄さで設計されなければならないため、従来の撓曲部は、高圧では、求められる安全係数を提供し難い。

概要
流体の流量を計測するための渦流量計は、流体を運ぶための導管を有する。厚みを減らした領域が導管の一部に形成されている。導管中に配置された放出バーが、厚みを減らした領域に結合され、流体の流量に応答して、厚みを減らした領域に対し、ピボットラインを中心とする揺動を加えるように構成されている。厚みを減らした部分上の少なくとも一つの補強リブが流体の流れに対して平行に延びている。

詳細な説明
特定の圧力定格における使用の品質を得るために、ユーザは、ＡＳＭＥ ＢＰＶＣに準拠する有効安全係数を与える破裂圧試験に耐えることを求められる。

式中、ＰＲは、圧力定格のための最大作業圧であり、Ｆは鋳造品質係数であり、Ｒは、特定の実施で使用される材料の、最小引張り強さに対する実引張り強さの比である。安全係数は、特定の用途及び実施に依存することができる。

本発明は、従来の撓曲部（厚みを減らした壁の領域とも呼ぶ）に対する、撓曲部の中心線のいずれか側で流れの方向に撓曲部を横断して延びるリブを含めるための改変を含む。さらには、撓曲部の中心線上に配置される中心リブのサイズを増す。これらの増強により、撓曲部は、従来の計器の圧力の約１５０％の圧力を保持する（それに耐える）ことができる。さらには、両脇のリブは、計器の剛性中心撓曲部に加わる圧力のためにセンサに対抗する力を減らすことにより、放出バーによって生成される交互の圧力に対する計器の感度を高める。

図１は、本発明の渦流量計の実施態様を示す。流量計１０は、内孔１６を取り囲む壁１４を有する導管１２を含む。内孔１６は、液体又は気体であることができる流体を内孔軸１８にほぼ沿って運ぶ。放出バー２０は、渦を発生させる障害物である。ピボット部材２２が壁１４に形成された穴２４から内孔１６中に延びている。変動する流体圧が放出バー及びピボット部材２２に対して作用すると、ピボット部材２２がその変動する圧に応答して動く。

中心リブ２６が穴２４の中に配置され、撓曲部２８に結合している。撓曲部２８は全体的に壁１４に結合している。支柱３０が撓曲部２８から延びている。感知素子３２（仮想線で示す）が、好ましくは支柱３０への取り付けによって撓曲部２８に結合され、ピボット部材２２の動きを感知する。感知素子３２は、感知した動きを示す出力を生成し、その出力をリード３４を介して回路３６に伝送する。通常は、回路３６は、感知した動きを通信リンク４０（２線式、３線式又は４線式ループであってもよいし、ワイヤレス通信リンク４０であってもよい）を介して制御中枢３８に伝送するように適合されている。

好ましい実施態様では、補強リブ４２が、撓曲部２８の中心線２７（又はピボットライン）の各側で撓曲部上に配置されている（参照番号２７は図２及び５に示す）。一般に、中心リブ２６及び補強リブ４２は、内孔軸１８の方向に対して平行（流れの方向に対して平行）に延びる。

一つの実施態様では、補強リブ４２は、中心リブ２６の中心と、撓曲部２８の外側縁との間で撓曲部に配置されている。この位置は、直径Ｄの撓曲部２８を考えることによって定量化することができ、その場合、補強リブ４２は、中心リブ２６のいずれか側で約０．２５Ｄのところに配置される。代替態様では、補強リブ４２は、中心リブ２６と撓曲部２８の外側縁との間の中央に配置される（たとえば撓曲部２８の縁に対して約０．２２Ｄのところ）。この実施態様では、中心リブ２６は、支柱３０とほぼ同じ幅であり、撓曲部２８の直径全体に延びている。代替態様では、中心リブ２６は、支柱３０よりも何分の１インチ分だけ幅広であり、撓曲部の直径全体に延びる。補強リブは、ほぼ同じ相対的高さ及び幅である。一つの実施態様では、補強リブは、撓曲部の厚さとほぼ同じである高さ及び幅を有する。当業者には、管の壁に適合するために撓曲部２８が湾曲しているということが理解されよう。したがって、補強リブ４２の高さは、撓曲部２８の表面に対する高さであり、ある一定の点に対しては、管の曲率半径にしたがって変動する。

実施に依存して、リブのサイズは、異なる圧力及び異なる撓曲部サイズに対応するように調節することができる。さらには、補強リブ４２の位置は、中心線に近づく方向又は中心線から離れる方向に調節することもできる。好ましい実施態様では、補強リブ４２は、撓曲部２８の中心線と撓曲部２８の外側縁との間の実質的に中央に配置される。

これらの補強リブ４２が計器の破裂圧強度を増すということが理解される。補強リブ４２を計器に加えると、通常、計器の破裂圧を５０％高めることができる。さらには、補強リブ４２は、計器１０の撓曲部２８に加わる圧力のためにセンサに対抗する力を減らすことにより、流体渦から交互に加わる圧力に対する流量計の感度を高める。

図２は、図１の撓曲部２８の拡大図を示す。図示するように、導管１２は、撓曲部２８が配置される開口２４を有している。中心リブ２６が撓曲部の直径全体に延び、撓曲部２８の中心線４４上に配置されている。この実施態様では、補強リブ４２は、中心リブ２６の各側に配置され、撓曲部２８の外側縁まで延びている。補強リブ４２は、中心線４４と撓曲部２８の外側縁との間のほぼ中間点に配置されている。支柱３０が、中心リブ２６から、導管１２から離れる方向に延びている。先に論じたように、好ましい実施態様では、センサは支柱３０を介して放出バーに結合されている。

図３は、図１の３−３線から見た渦流量計１０の断面を示す。流量計１０は、内孔１６を取り囲む壁１４を有する導管１２を含む。内孔１６は、液体又は気体であることができる流体を内孔軸１８にほぼ沿って運ぶ。放出バー２０は、渦を発生させる障害物である。ピボット部材２２（図１に示す）が撓曲部２８の濡れ側から延びている。変動する流体圧が放出バー及びピボット部材２２に対して作用すると、ピボット部材２２がその変動する圧に応答して動く。

この実施態様では、中心リブ２６が穴２４の中に配置され、撓曲部２８に結合している。撓曲部２８は全体的に壁１４に結合している。支柱３０が撓曲部２８から延びている。補強リブ４２が、撓曲部２８の中心線の各側で、中心リブ２６の各側で撓曲部上に配置されている。一般に、中心リブ２６及び補強リブ４２は、内孔軸１８の方向に対して平行（流れの方向に対して平行）に延びている。フランジ要素４６がトランスミッタハウジング４８（仮想線で示す）を計器ボディに結合している。トランスミッタハウジング４８はまた、感知したデータを、制御中枢に伝送するための信号へと処理するための回路を含むことができる。

図４は、撓曲部２８の拡大断面図を示す。撓曲部２８は、導管１２内の開口２４中に配置されている。中心リブ２６が撓曲部２８の中心にあり、補強リブ４２が中心リブ４２と撓曲部２８の外周縁との間のほぼ中央にある。中心リブ２６及び補強リブ４２は、互いに対して平行かつ流体の流れに対して平行に延びている。ピボット部材２２が放出バー２０に配置され、支柱３０に結合されて、支柱３０を、ピボット部材２２及び放出バー２０が受ける流体圧に応答して動かす。

一般に、撓曲部２８（厚みを減らした領域）は厚さがＴである。補強リブ４２は、幅がＷであり、高さがＨである。撓曲部２８は、管壁の湾曲に適合するように湾曲しており、補強リブ４２の高さＨが撓曲部２８の湾曲面に対する高さであることが理解されよう。好ましい実施態様では、幅Ｗ及び高さＨは厚さＴにほぼ等しい。

図５は、撓曲部２８を開口２４から見下ろした平面図である。撓曲部２８は、撓曲部２８の外面（非濡れ面）に沿って縁から縁までで計測される直径がＤである。一つの好ましい実施態様では、補強リブ４２の位置は、撓曲部２８の中心線（ピボットライン）２７に対して、補強リブ４２が約０．２５Ｄの中央位置に配されるように決定することができる。

先に論じたように、計器の圧力定格を決定する第一の方法は破裂圧試験である。これらの試験では、流量計は、試験装置に接続されたのち、圧力をもはや保持することができなくなって破損するまで加圧される。これらの試験すべてで、もっとも薄い壁の区分である撓曲部区域で破損が起こる。

ＡＳＭＥコードに関して、計器の安全係数は以下の式によって決定される。

式中、ＳＦは安全係数であり、Ｆは鋳造品質係数であり、ＢＰは破裂圧であり、Ｐ_rは定格圧であり、Ｔ_sは材料の引張り強さ規格であり、Ｔ_aは、鋳造物が取り出された熱からの試験片によって決定される試験材料の実引張り強さである。

補強リブ４２を中心線と撓曲部２８の縁との間で撓曲部２８に加えると、極限破裂圧が著しく高まる。一つの試験例では、補強リブは、幅が約０．０３５インチであり、高さが０．０７０インチであり、中心リブ２６に対して平行に延びる。補強リブ４２は、従来技術の設計では最大合計変位が起こる区域に配置されていた。計算は、３０％を超える破裂圧の増大を予測した。試験した装置は５０％の破裂圧の改善を示した。

補強される撓曲部設計のさらなる解析は、従来の撓曲部設計に対して改善された感度を示した。計算は、感度における約６％の増大を予測した。試験において、補強リブ４２は、実施態様によっては、計器の感度を最大２０％増大させた。

また、中心リブが、ピボット部材２２をその平衡位置に復元しようとする復元力に寄与するということに注目することが重要である。復元力は、ピボット部材の振動の固有周波数を高める傾向にあり、それが、ピボット部材２２の固有周波数が、作動中に遭遇する最高渦周波数よりも大きくなることを保証する。補強リブは、実際にこの復元力を改善することができる。

さらには、図示する実施態様では、補強リブが厚みを減らした領域のピボット線からオフセットされていることに注目すべきである。好ましい実施態様では、補強リブは、ピボット線と厚みを減らした領域の縁との間のほぼ中間にあり、オフセット距離をほぼ同じにしている。しかし、実施態様によっては、補強リブの位置を変えることが望ましいかもしれない。たとえば、補強リブの位置は、ピボット線と縁との間の中間点からほぼ同じ距離だけオフセットさせることもできる。あるいはまた、補強リブは、補強リブを厚みを減らした領域の特定の位置に配置するため、わずかに異なる距離だけピボット線から離間させることもできる。

最後に、上記は、補強リブがピボット線（又は中心リブ）に対して実質的に平行に延びるものとして記載したが、実施態様によっては、中心線に対する補強リブの角度を変えることが望ましいかもしれない。たとえば、一つの実施態様では、補強リブを、撓曲部で、ピボット線に隣接し、ピボット線から斜めに延びるように配置することが望ましいかもしれない。このような実施態様では、ピボット線又は周縁に対する補強リブの位置は、計測される場所に応じて異なるであろう。角度を変えることにより、改良された圧力保持の利点を維持しながらも計器の感度を調節することが可能である。

好ましい実施態様を参照しながら本発明を説明したが、当業者は、本発明の本質及び範囲を逸することなく、形態及び詳細の変更を加えることができることを認識するであろう。

本発明の実施態様の流量計の現場における部分切断図である。 図１の流量計の撓曲部の拡大図である。 図１の３−３線から見た流量計の断面図である。 図１の３−３線から見た断面における厚みを減らした領域の拡大図である。 図１の厚みを減らした領域の平面図である。

Claims (26)

1. 流体の流量を計測するための渦流量計であって、
   流体を運ぶための導管、
   導管の一部にある厚みを減らした領域、
   導管中に配置され、厚みを減らした領域に結合され、流体の流量に応答して、厚みを減らした領域に対し、ピボットラインを中心とする揺動を加えるように構成された放出バー、及び
   厚みを減らした領域にあり、ピボットラインから離間され、流体の流れに対して平行に延びる少なくとも一つの補強リブ
   を含む渦流量計。
2. 少なくとも一つ補強リブが、厚みを減らした領域の直径の４分の１だけピボットラインから離間されている、請求項１記載の渦流量計。
3. 少なくとも一つの補強リブに対してピボットラインの反対側に配置され、流体の流れに対して平行に延びる第二の補強リブをさらに含む、請求項２記載の渦流量計。
4. 厚みを減らした領域に結合されてその動きを感知して流量を示す出力を提供するためのセンサをさらに含む、請求項１記載の渦流量計。
5. 少なくとも一つの補強リブが、厚みを減らした領域の一方の側で、ピボットラインに対して平行に配置されている、請求項１記載の渦流量計。
6. ピボットライン上に配置され、流体の流れに対して平行に延びる中心リブをさらに含む、請求項１記載の渦流量計。
7. 導管の外側に配置され、中心リブに結合された支柱をさらに含む、請求項６記載の渦流量計。
8. 支柱に結合されてその動きを感知して流量を示す出力を提供するためのセンサをさらに含む、請求項７記載の渦流量計。
9. 少なくとも一つの補強リブが、厚みを減らした領域の厚さにほぼ等しい高さを有する、請求項１記載の渦流量計。
10. 少なくとも一つの補強リブが厚みを減らした領域の縁から縁まで延びる、請求項１記載の渦流量計。
11. 流体の流量を測定するための渦流量計であって、
    流体を運ぶための導管、
    導管の一部にある厚みを減らした領域、
    導管中に配置され、厚みを減らした領域に結合され、流体の流量に応答して、厚みを減らした領域に対し、ピボットラインを中心とする揺動を加えるように構成された放出バー、及び
    ピボットラインから離間され、厚みを減らした領域の縁から縁までピボットラインに対して平行に延びる少なくとも一つの補強リブ
    を含む渦流量計。
12. 厚みを減らした領域に結合されてその動きを感知して流量を示す出力を提供するためのセンサをさらに含む、請求項１１記載の渦流量計。
13. 少なくとも一つの補強リブが、ピボットラインと厚みを減らした領域の周縁との間のほぼ中間点に配置されている、請求項１１記載の渦流量計。
14. ピボットライン上に配置され、厚みを減らした区域に結合された中心リブをさらに含む、請求項１１記載の渦流量計。
15. 導管の外側に配置され、中心リブに結合された支柱、及び
    支柱に結合されてその動きを感知して流量を示す出力を提供するためのセンサ
    をさらに含む、請求項１４記載の渦流量計。
16. センサに結合され、センサの出力を制御中枢に伝送するように適合された回路をさらに含む、請求項１１記載の渦流量計。
17. 少なくとも一つの補強リブに対してピボットラインの反対側に配置され、ピボットラインに対して平行に延びる第二の補強リブをさらに含む、請求項１１記載の渦流量計。
18. 流体の流量を計測するための渦流量計であって、
    流体を運ぶための導管、
    導管の一部に形成された厚みを減らした領域、
    導管中に配置され、厚みを減らした領域に結合され、流体の流量に応答して、厚みを減らした領域に対し、ピボットラインを中心とする揺動を加えるように構成された放出バー、及び
    厚みを減らした領域にあり、ピボットラインから離間された少なくとも一つの補強リブ
    を含む渦流量計。
19. センサに結合され、センサの出力を制御中枢に伝送するように適合された回路をさらに含む、請求項１８記載の渦流量計。
20. 少なくとも一つの補強リブが、厚みを減らした領域の全長未満しか延びない、請求項１８記載の渦流量計。
21. ピボットライン上に配置され、厚みを減らした区域に結合された中心リブをさらに含む、請求項１８記載の渦流量計。
22. 少なくとも一つの補強リブが、厚みを減らした領域の一方の側で、ピボットラインに対して平行に配置されている、請求項１８記載の渦流量計。
23. ピボットラインに対して平行に延び、少なくとも一つの補強リブ及びピボットラインからオフセットされている第二の補強リブをさらに含む、請求項１８記載の渦流量計。
24. 少なくとも一つの補強リブ及び第二の補強リブがピボットラインの両側に配置されている、請求項２３記載の渦流量計。
25. 少なくとも一つの補強リブ及び第二の補強リブが実質的に等しい量だけオフセットされている、請求項２４記載の渦流量計。
26. 厚みを減らした領域が厚さを有し、少なくとも一つの細長い補強リブが、厚さにほぼ等しいような幅及び高さの寸法を有する、請求項１８記載の渦流量計。

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