JP5147844B2 - 密度測定を備えるプロセス装置 - Google Patents

Description

本発明は、プロセス変数の測定における工業用プロセス制御監視システム及びそのようなシステムに関する。より具体的には、本発明は、流体の密度に関連する、プロセス流体についてのプロセス変数の測定に関する。

工業用プロセスは、工業用プロセスの動作を監視及び／又は制御するために用いられる。たとえば、プロセス変数トランスミッタを用いて、工業用プロセスのプロセス変数を測定する。プロセス変数の例は、温度、圧力、高さ（レベル）及び流れを含む。パイプを通したプロセス流体の流れ、たとえば質量流量の、タンク内での流体の高さ（レベル）、一般的には直接測定されるのではなく、多数のプロセス変数から算出される。

たとえば、工業用プロセスでは、流量（Ｑ）を測定するトランスミッタは、プロセス制御システムの領域内の離れた場所に配置される。これらのトランスミッタは、制御室に流量情報を伝送する。流量情報を用いて、プロセスの動作を制御する。本明細書で用いられるプロセス流体とは、液体と気体状流体との両方をさす。

プロセス制御産業において流量を測定する一つのよくある手段は、パイプ内に固定された絞りの両端での圧力降下を測定することであり、差圧発生器又は一次エレメントと呼ばれることが多い。差圧発生器を通して流量を算出するための一般式は、以下のように記すことができる。

ここで、
Ｑ＝質量流量（質量／単位時間）
Ｎ＝単位変換係数（単位変化）
Ｃ_ｄ＝流出係数（無次元）
Ｅ＝進入速度係数（無次元）
Ｙ_１＝気体膨脹係数（無次元）
ｄ＝差圧発生器の口径（長さ）
ｐ＝流体密度（質量／単位体積）
ｈ＝差圧（力／単位面積）
である。

この表式中の項で、定数である単位変換因子のみが容易に算出される。その他の項は、比較的簡易なものから非常に複雑なものにわたる数式によって表される。いくつかの式は、多くの項を含み、数の非整数乗を要する。これは、計算的に手間のかかる作業である。

流量を測定するために用いることができる多くのタイプの計器がある。ヘッドメータは、流体の流量を測定するために用いられる、もっともよくあるタイプの計器である。これらは、流体の流れに対する障害物を用いて差圧を発生させて測定することにより、流体の流れを間接的に測定する。用いられるヘッドメータのタイプ及びパイプの直径に依存する十分に確立された変換係数を用いて、差圧の測定値が、質量流量又は体積流量に変換される場合がある。

流れを判定するために差圧を測定するための一つの技術は、平均化ピトー管型一次エレメントによるものである。通常、流れを示すための平均化ピトー管型一次エレメントは、パイプ内部の異なる位置で圧力を感知する２つの中空管で構成される。これらの管は、パイプ内に別個に取り付けるか、又は単一のデバイスとして、一つの箱（ケーシング）内に一緒に設置することができる。平均化ピトー管の例は、米国特許第4,154,100号、発明の名称METHOD AND APPARATUS FOR STABILIZING THE FLOW COEFFICIENT FOR PITOT-TYPE FLOWMETERS WITH A DOWNSTREAM-FACING PORTに示される。この設計は、全圧（Ｐ_ＴＯＴ）を測定する前方に向けられた管を含む。第二の管は、下流圧力を測定する。２つの管の間の差圧は、式２にて与えられるように、流れの二乗に比例する。

ここで、
Ｎ＝単位変換係数
Ｋ＝平均化ピトーの流れ係数（無次元）
Ｄ＝パイプ直径（インチ）
Ｙ_１＝気体膨脹係数（無次元）
ｐ＝気体密度（ｌｂｍ／ｆｔ^３）
ｈ＝差圧（インチＨ_２）
である。

圧力測定に基づく流れの正確な算出は、式１で用いるための密度（ｐ）及び気体膨脹係数（Ｙ_１）を判定するために、静圧の正確な測定を要する。しかし、従来技術の、静圧（Ｐ_ＳＴＡＴ）を感知するためのさらなるセンサは、煩雑で、不便かつ高価であり、さらなるエラー源をもたらす。

容器を通過するプロセス流体のプロセス変数を測定するためのプロセストランスミッタは、容器内のプロセス流体の第一の圧力及び第二の圧力を受けるように配設された第一及び第二の圧力継手を含む。これらの圧力は、プロセス流体の密度に関連する。二次センサは、容器を通過するプロセス流体のプロセス変数に関連する二次出力を提供する。測定回路は、第一及び第二の圧力ならびに二次出力に基づいて、容器を通過するプロセス流体の意図されたプロセス変数を算出するように構成される。

本発明に従う流量トランスミッタを示す図である。 密度を測定するためのセンサを含む、本発明に従う流量トランスミッタを示す簡略化された図である。 図１に示すプロセス配管の正面断面図である。 図１に示すプロセス配管の側面断面図である。 差圧から導出された密度測定に基づく流れを測定するためのトランスミッタを示す簡略化された図である。 レベル測定構成を示す側面断面図である。 図６の継手の正面平面図である。

工業用プロセスでは往々にして、監視と制御との両方の用途のために、プロセス流体の密度に関連するプロセス変数を測定することが望ましい。質量流量及び製造物高さ（レベル）の測定値は、２つのそのようなプロセス変数である。化学反応の制御では、反応物質の質量平衡及び質量流量の平衡は、改善された製造物品質制御をもたらし、スループットを向上させる。これを受けて、質量流量を測定するための多くの技術が開発されてきた。いずれもが何らかの制限を有する。たとえば、より普及している質量流量技術の一つであるコリオリメータは、大きなラインサイズでは、物理的に大きく、高価である。そのようなメータは、一般的には、６インチよりも大きなサイズは使用できない。別の普及している技術であるマルチバリアブルＤＰ（差圧）は、ユーザが、計測されている製品の状態方程式を知っていて、入力することが求められる。質量流量計に必要とされることは、使い方が簡単で、サイズが大きくなり、状態方程式の知識が求められないことである。

本発明は、プロセス流体の密度を直接測定するための方法及び装置を提供する。そのような直接測定は、高さ（レベル）及び質量流量の測定の精度を改善し、また同時に計算における要件を減らすことができる。さらに、そのような構成は、ユーザに、質量流用測定のための状態方程式を入力することが求められない。

図１は、プロセス測定又は制御システム２のプロセストランスミッタ、たとえば流量トランスミッタ１０の一般的な環境を図示する。トランスミッタ１０は、プロセス制御ループ１４（電圧源６及び抵抗器８として図示）を通して、制御室４に結合する。トランスミッタ１０は、パイプ継手又はフランジ１４を通して、プロセス流体容器、たとえばパイプ１２に結合される。パイプ１２は、気体又は液体のような流体の流れを、矢印１６によって示された方向に導く。

本実施例では、トランスミッタ１０は好ましくは、パイプ１２を通って流れるプロセス流体の流れを示す出力信号を、好ましくはツイストペア導線を用いて形成された４−２０ｍＡの２線式ループ１４を用いて、可撓電線管２８を通して制御室４に提供する。トランスミッタは、たとえばHighway Addressable Remote Transducer（HART（登録商標））プロトコル、FOUNDATION（商標）フィールドバス（Fieldbus）、プロフィバス（Profibus）又は他の規格に従うことができる。これに代えて、プロセス制御ループのために、さまざまなワイヤレス技術を使用してもよい。以下に論じるように、密度判定に基づく既知の技術を用いて、流れが判定される。差圧継手２４は、インパルス配管３０を通して、トランスミッタ１０内に担持された差圧センサ（図１に図示せず）に結合する。

動作中、及び以下により詳細に論じるように、トランスミッタ１０は、プロセス流体の密度及びプロセス流体の速度に基づいて、配管１２を通るプロセス流体の流れを測定する。プロセス流体の密度は、圧力継手２４を用いて判定される。図１に図示された例では、プロセス流体の速度は、プロセス流体の流れの中に配置された障害物によって生じる差圧に基づいて判定される。しかし、本発明はこのような構成に限定されない。

図２は、プロセストランスミッタ１００の簡略化されたブロック図であり、トランスミッタ１００のハウジングの内側あるいは外側にあってもよい速度センサ１３０及び密度センサ１３２（実施形態によっては、構成要素１３０及び１３２はそれぞれ多重センサを表す）に結合する。センサ１３０及び１３２からの出力１２０は、アナログ・ディジタル変換器１０４によってディジタル化されて、マイクロプロセッサ１０６に提供される。マイクロプロセッサ１０６は、クロック１０８によって決定された速度で、メモリ１１０に記憶された命令に従って動作する。メモリ１１０はまた、永久変数及び一時変数の両方を記憶することができる。接続１２４を通して、マイクロプロセッサ１０６は、ループ１１４に結合するループ通信機１１２に結合する。

トランスミッタ１００を用いて、プロセス変数を測定する。速度センサ１３０及び密度センサ１３２は、プロセス、たとえば図１に示されるパイプ１２で運ばれるプロセス流体に結合されて、アナログ・ディジタル変換器１０４にセンサ出力を提供するように構成される。アナログ・ディジタル変換器１０４は、マイクロプロセッサ１０６に、ディジタル化された出力１２２を提供し、マイクロプロセッサはトランスミッタ出力回路、たとえばループ通信機１１６に、プロセス変数出力１２４を提供する。プロセス変数出力１２４は、センサ出力１２０の関数である。

図２は、説明を目的として提供されており、実際のトランスミッタ構成は変えることができる。たとえば、マイクロプロセッサ１０６によって実行される機能は、多数の異なるマイクロプロセッサ又は回路によって実行することができる。センサ１３０又は１３２からの出力は、アナログ・ディジタル変換器１０４によるアナログ・ディジタル変換の前に処理されることができる。ディジタル回路を用いて、さらなる補償工程を実行することができる。ハードウェアか又はソフトウェアで、もしくはそれらの組合せで、多くの機能を実施することができる。図２で説明された具体的な構成は、本発明の範囲を限定するべきものではなく、当業者においては、本構成を改変することができることが認識されよう。

上述のように、トランスミッタはプロセス制御ループ１１４に結合する。２線式プロセス制御ループの一例は、最低値４ｍＡ及び最高値２０ｍＡを有する電流Ｉを運ぶ。データは、ディジタル及び／又はアナログ形式で伝送することができる。ループ通信機１１６はマイクロプロセッサ１０６によっても用いられ、ループ１１４からのデータを受信する。電力モジュール１１８は、ループ１１４から受けた電力を用いて、トランスミッタ１００の構成要素に電力を供給するために用いられる。いくつかのタイプのトランスミッタでは、トランスミッタは、ループ１１４から受信された電力によって完全に電力供給される。

図２には、速度センサ１３０及び密度センサ１３２が示される。密度センサ１３２は、たとえば図１に示された継手２４を用いて、プロセス配管１２に結合することができる。速度センサ１３０は、配管１２を通るプロセス流体の速度を感知するか又は測定するために用いられる任意のタイプのセンサ構成にすることができる。その例は、障害物又はピトー管の両端の差圧の測定に基づくものを含む差圧ベースの技術か、流れの中のコリオリの外乱を用いて速度を測定するコリオリベースの技術か、プロセス流体に磁界が与えられて、その結果の電位を測定して流れを判定する磁気流量計ベースの技術か、又は任意の他の適切な技術かを含む。

密度センサ１３２は、以下により詳細に記載され、プロセス配管１２内の２つの垂直なオフセット位置間で感知されるような差圧に基づいて、プロセス流体の密度に関する出力を提供する。配管１２内のプロセス流体の重量は、この差圧を生じさせる。

図３は流量トランスミッタの正面断面図、図４はその側面部分切欠図である。図３及び４に図示する実施形態では、取付フランジ１５０を用いて、トランスミッタ１０をプロセス配管１２内に結合させ、オリフィス板１５２は、取付フランジ１５０内部に配置されて、プロセス流体がオリフィスを通って流れるときに差圧を発生させる。図４では、インパルス配管１５６は、トランスミッタ１０内部に担持される差圧センサ２０４（図５に図示する）に、オリフィス板１５２の片側の圧力を結合する。

センサ２０４（図５参照）を用いてオリフィス板１５２の両端の差圧を測定することに加え、トランスミッタ１０は、プロセス配管１２内の垂直のオフセットに起因して、プロセス流体の重量によって生じる差圧を測定するようにさらに構成される。分離ダイヤフラム１６０及び１６２は、プロセスパイプ１２の底部及び上部にそれぞれ配設される。差圧センサ１６４は、インパルス配管１６６及び１６８を通して、ダイヤフラム１６０及び１６２間にそれぞれ結合される。インパルス配管１６６及び１６８は、分離充填流体、たとえば実質的に非圧縮性の油によって充填される。２つの分離ダイヤフラム１６０及び１６２は、差圧生成器１５２の高位側（上流側）に位置付けられる。パイプの中の流体が低位のシール上を通過するとき、流体の重量（又は質量）は、低い領域の差圧センサ１６４によって直接測定されるダイヤフラム１６０に力を加える。さらに、高位のダイヤフラム１６２は、プロセス配管１２内部のライン圧力を相殺して、差圧センサ１６４の反対側に加える。このように、プロセス流体の密度は、感知された圧力及びプロセス配管１２の直径に基づいて、直接測定される。その後、この密度は、たとえば上記で論じられた標準的な質量流量方程式を用いて、プロセス流体の質量流量を算出する。たとえば、比重０．８の炭化水素液が流れ、配管１２の直径が６インチである場合、密度を目的として測定された差圧は、約４．８インチｗ．ｃ．（水柱）になる。低域を有する圧力センサは、この領域で０．１％のスパン確度を提供することができ、これにより流体密度の正確な判定が可能になる。

図３及び４では、差圧センサ１６４は、撓み可能な中央ダイヤフラムを基にして図示されている。ダイヤフラムの撓みは、既知の技術を用いて、ダイヤフラムと圧力センサの側壁との間の相対的な静電容量を測定することによって測定することができる。しかし、任意の適切な圧力測定技術を用いることができ、本発明は、撓み可能なダイヤフラム構成に限定されない。さらに、図３及び４では、圧力トランスミッタ１０は一体のアセンブリとして図示されている。しかし、別の例の構成では、別個のトランスミッタを用いて、差圧に基づくプロセス流体の密度を測定する。同様に、密度を測定するために用いられる差圧測定は、プロセス配管１２に沿った任意の場所でなされることができ、測定がオリフィス板１５２のすぐ近くでなされることを要さない。そのような構成では、測定が補償される必要がない場合がある。さらに、上記で論じたように、任意のタイプの流体速度測定技術を用いることができ、本発明は、流れ絞りの両側の差圧に基づく、図示された技術に限定されない。

図３及び４の構成では、低域の差圧センサ１６４の配置は、毛管１６６及び１６８内の油の間の量が均衡しているようにしなければならない。しかし、油が均衡していない場合（たとえば、図３及び４に図示されるように）、その差異は、たとえばトランスミッタ１０内部のソフトウェアで調整することができる。この調整は、たとえばトランスミッタ１０の校正中に行うことができる。

図５は、トランスミッタ１０の簡略化された断面図である。図５では、トランスミッタ１０は、プロセス制御ループ１４を経由して通信するために用いられるＩ／Ｏ回路２００を含むとして示されている。また、いくつかの構成では、Ｉ／Ｏ回路２００は、トランスミッタ１０に電力を提供するために用いられる電力出力を備える。測定回路２０２は、差圧センサ１６４及び差圧センサ２０４に結合される。差圧センサ１６４は上記で論じられ、プロセス流体の密度に関連した差圧を測定するために用いられる。差圧は、圧力センサ１６４の対向する側面に加えられた圧力Ｐ_１及びＰ_２の間の差異に基づく。差圧センサ２０４は、図３及び４に図示されたオリフィス板１５２の両端に生成された差圧を測定するように構成される。上記で論じられたように、２つの差圧（Ｐ_１及びＰ_２の間の差圧、ならびにＰ_３及びＰ_４の間の差圧）に基づいて、測定回路２０２は、Ｐ_１及びＰ_２から引き出された密度算出に基づいて、プロセス配管１２を通るプロセス流体の質量流量を判定する。

図６は、本発明の別の実施形態のブロック図であり、容器２３４、たとえばタンク内のプロセス流体２３２の高さ（レベル）を測定するためのシステム２３０が備えられる。プロセス変数トランスミッタ２３６は、プロセス継手２３８を通してタンクに結合する。トランスミッタ２３６は、測定回路２０２と、差圧センサ２０４と、ゲージ圧力を感知するように構成された圧力センサ１６４とを含む。背側のアイソレータ２４０は、圧力Ｐ_３を受けるように構成され、腹側のアイソレータ２４２は、圧力Ｐ_４を受けるように構成される。温度センサ２４４は、プロセス流体２３２の温度を感知するために設けられる。図６の構成では、圧力センサ１６４は、圧力Ｐ_４と同じである圧力入力Ｐ_２と、圧力入力Ｐ_１とを受信する（通常、Ｐ_１はタンクのアレッジに接続された管である）。

さまざまなタイプのリモートシール構成を用いて、タンク内の液体高さ（レベル）を測定する。リモートシールは、プロセスに対して標準化された大きな圧力を再送し、一般的にはフランジを介して適所に保持される。一般的に、これらのシールシステムを用いて、単一のプロセス変数、液頭を測定する。あるトランスミッタでは、ソフトウェアは、長さを単位として製造物の高さ、又は体積を単位として製造物体積を、液頭とともに提供し得るタンク形状を提供するのに用いられる。そのようなリモートシールシステムは、大気タンクあるいは密閉タンクのいずれかで用いることができる。しかし、そのようなリモートシール構成には多くの変形がある。一つの態様では、本発明は上記で論じられた性能を用いていくつもの変数を測定し、レベル測定のために密度を判定する。

図６に図示されたように、プロセス継手２３８はタンク２３４に結合し、トランスミッタ２３６に結合をもたらして圧力Ｐ_３及びＰ_４を測定する。ゲージ圧力センサ１６４は、圧力Ｐ_４に、及び圧力Ｐ_１の中に結合される。圧力Ｐ_１は、たとえばベント型のタンク又は容器の場合、大気に逃がすことができ、又は穴のないタンクの場合、タンクに配管することができる。差圧センサツールは、比較的低い圧力範囲を測定するように構成されたセンサであることが望ましい。本構成を用いることで、測定回路２０２は、静力学方程式（ＴＨ−ＰＬ）／ｄ又はＤＰ／ｄを用いて製品密度を測定することができ、ここでｄはアイソレータ２４０及び２４２間の距離であり、ＤＰはそれらの間の差圧である。そのような測定は、２つのアイソレータ間のプロセス流体の密度のみを提供することに留意されたい。しかし、多くの用途では、製造物密度はタンクの高さによって層別化されない。液頭（ＬＨ）は、ゲージ圧力センサ１６４によって直接測定される。この情報を用いることで、測定回路２０２は、式ＬＨ／密度を用いてレベルを判定することができる。製品体積は、レベル判定にタンク領域を乗算することによって算出することができる。一つの実施形態では、温度センサ２４４は温度を測定し、標準体積及び標準密度を判定するために用いることができる。

図７は、プロセス継手２３８の正面図である。継手２３８は、図６に示されるような単一の開口２４８に適合するように構成することができる。シール２５０は、タンク２３４上に取り付けるためのボルト穴２５２を含む継手２３８の周りに延びる。

図６は、トランスミッタ２３６が継手２３８に近接して位置付けられているとして図示されているが、２つの構成要素を分離させて、インパルス配管を用いて結合させることができる。加えて、２つのアイソレータを用いるシステムを使用してもよい。

好ましい実施形態を参照して本発明を説明してきたが、当業者においては、本発明の本質及び範囲から逸脱することなく、形態及び詳細に変更を加えてもよいことが認識されよう。体積及び質量流量、液頭等を含む任意のプロセス変数を判定することができる。密度を判定するために用いられる差圧のための圧力継手は、プロセス容器の上部及び下部に示されているが、他の構成を利用することができる。たとえば、分離ダイヤフラムを上部及び下部位置からオフセットさせて、それによって校正することができる。校正は、特性方程式に、又は直接の校正測定によることができる。

Claims (11)

1. 容器内のプロセス流体のプロセス変数を測定するためのプロセス変数トランスミッタであって、
   前記容器の底部に近接して位置付けられた第一の圧力継手における第一の圧力と、前記容器の上部に近接して位置付けられた第二の圧力継手における第二の圧力との、差圧を測定する第一の差圧センサと、
   前記容器内のプロセス流体に関連して感知されたプロセス変数出力を発生する差圧発生器を含む第二の差圧センサと、
   前記第一の差圧センサによって測定された差圧に基づいて前記プロセス流体の密度を算出し、該算出された密度と、前記第二の差圧センサによって測定された差圧とに基づいて、容器内のプロセス流体の意図されたプロセス変数を算出するように構成された測定回路と、
   を含むトランスミッタ。
2. 測定回路がプロセス流体の体積流量を判定する、請求項１記載のトランスミッタ。
3. 測定回路が流体の質量流量を判定する、請求項１記載のトランスミッタ。
4. 差圧生成生器がオリフィス板を含む、請求項１記載のトランスミッタ。
5. 容器がパイプを含み、パイプが、絞りに近接して位置付けられた第一及び第二の圧力継手を備える絞りを含む、請求項１記載のトランスミッタ。
6. 第一及び第二の圧力継手が、プロセス流体から圧力センサを分離するように構成された分離ダイヤフラムを含む、請求項１記載のトランスミッタ。
7. 差圧センサが、プロセス変数トランスミッタのハウジングの外に位置付けられる、請求項１記載のトランスミッタ。
8. 第一及び第二の圧力継手が、プロセス容器に取り付けるように構成された一体型フランジに担持される、請求項１記載のトランスミッタ。
9. 容器内のプロセス流体のプロセス変数を測定するための方法であって、
   容器内のプロセス流体のプロセス変数を、差圧発生器を含む差圧センサによって感知することと、
   前記容器の底部に近接する位置と、前記容器の上部に近接する位置とにおける前記プロセス流体の差圧を用いてプロセス流体の密度を測定することと、
   測定されたプロセス変数及び測定された密度に基づいて、意図されたプロセス流体のプロセス変数を算出することと、
   を含む方法。
10. 差圧が、オリフィス板を用いて生成される、請求項９記載の方法。
11. プロセス変数を算出することが、質量流量を算出することを含む、請求項９記載の方法。

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