JP5956073B2 - 遠隔シールを用いたプロセス流体のレベル測定 - Google Patents

Description

本発明は、容器(container)に入っているプロセス流体のレベル測定に関する。特に、本発明は、圧力に基づくプロセス流体のレベル測定に関する。

多くの工業プロセスは、プロセス流体に関連した色々なプロセス変数をモニタすることを必要とする。モニタされる一つの例示的なプロセス変数は、容器内にあるプロセス変数のレベルである。この情報は、プロセス流体の在庫(inventory)を維持するために、又はプロセスの動作を制御するのに用いられることができる。

容器内のプロセス流体のレベルを測定するための色々な技術が知られている。プロセス流体のレベルを測定するための一つの技術は、圧力、例えば差圧に基づくものである。一つの例示的構成では、側方の点検口(side access port)が容器の底の近くに設けられる。この位置でのプロセス流体の圧力は、圧力センサを用いて測定される。例えば、隔離ダイヤフラムは側方点検口に結合することができ、プロセス圧力を圧力センサに伝えるのに用いられることができる。この隔離ダイヤフラムは、該センサをプロセス流体から隔離する。感知された圧力は、容器内の流体のレベルに関係しており、該センサに結合された測定回路がこのレベルに関係する出力を提供することができる。

本発明に関連する先行技術として、下記の特許文献１に記されたものがある。

特開２００１−１３３３１３号公報

プロセス流体を収容するのに用いられるいくつかの容器は、圧力センサに結合するための上記したような側方の点検口を有していない。そのような構成のものでは、有用な点検口は唯一容器の最上部(top)に置かれており、レベルの測定は、この開口を通して行われなければならない。

容器の開口中にあるプロセス流体のレベルを測定するための装置が提供される。この装置は、開口を通して容器中に挿入されるように構成され、かつ容器中のプロセス流体のレベルに関する圧力を受けるように構成された遠隔シールを含む。充填流体で満たされた毛細管は遠隔シールから開口に向けて延びており、それらの間を圧力が伝達するように構成されている。毛細管に結合された圧力センサは、毛細管からの圧力を感知し、容器中のプロセス流体のレベルを応答的に測定する。遠隔シールは、プロセス流体を毛細管中の充填流体から隔離し、それらの間に圧力を伝達するように配置されたベローズ部分(bellows portion)を含む。

本発明によれば、容器中のプロセス流体のレベルに関する圧力を従来のものより正確に測れるようになる。

図１は、容器と本発明のプロセス流体レベル測定装置の断面図である。 図２Ａは、請求項１のレベル測定システムにより使用される絶縁体ベローズアセンブリの断面図である。 図２Ｂは、請求項１のレベル測定システムにより使用される絶縁体ベローズアセンブリの分解透視図である。 図３は、図２Ａおよび図２Ｂに示されているベローズタイプに対する圧力対体積のグラフであり、従来のダイヤフラムタイプの圧力流体隔離体の圧力対体積のグラフも同じく示されている。 図４は、プロセス流体レベル測定装置の簡単化されたブロック図である。

本発明は、容器内の圧力に基づいて容器（又は"タンク"）内のプロセス流体のレベルを測定する装置及び方法を提供する。本発明では、"遠隔シール"が容器内のプロセス流体内に置かれるように構成されている。この遠隔シールは、容器内の圧力を、充填流体で充填された長く延びた毛細管を通って圧力センサに伝達する。圧力センサは、感知された圧力をプロセス流体のレベルを決定するのに用いる測定回路に接続されている。充填流体は、ベローズ装置によってプロセス流体から隔離されている。圧力測定の正確さは、隔離体(isolator)の表面積に関係している。このベローズの構成は、同じ直径を有する円形ダイヤフラムに比べて圧力が充填流体に伝達される隔離体の表面積を増大する。ダイヤフラムを配置する構成では、容器の最上部にある開口が比較的小さく、よって比較的小さな直径のダイヤフラムのみが通り抜けることになるので、圧力測定の正確さは限定されることになりうる。これに対して、ベローズ配置を用いた構成では、同じ直径の開口をより大きな表面積を有する隔離体アセンブリが通過でき、よって改善された正確さを提供することになる。

図１は、レベル測定システムが実行される環境１００の例示図である。図１には容器１０４の側断面図が示されており、圧力型レベル測定装置１０２が容器１０４内のプロセス流体１０６のレベルを測定するように構成されている。図１では、遠隔シール１１０は容器の底に近接して配置されている。遠隔シール１１０はこの位置で、容器１０４の最上部に位置している測定装置１０２のハウジング１１４内に収容されている圧力センサ（図１には示されていない）に伝達される圧力を受け取る。注目すべきは、圧力センサが容器の流体収容部分の外側（容器の最上部の外側）に置かれていることである。この圧力は、遠隔シール１１０とプロセス結合１２０との間に延びる毛細管１１２内に収容されている充填流体を介して伝達される。遠隔シール１１０は、プロセス流体１０６を毛細管１１２内に収容されている充填流体から隔離し、さらにそれらの間で、印加圧力を転送する。測定された圧力に基づいてレベル測定装置１０２は、容器１０４内にあるプロセス流体１０６のレベルに関する出力を提供する。例えば、この出力は２線プロセス制御ループ１２２上に提供されることができる。ループ１２２は、４ｍＡが感知されたプロセス変数の低い値を表わし、２０ｍＡ信号が高い値を表わす４−２０ｍＡ電流ループのような既知の技術に従って動作することができる。同じ二本の線は、電力をレベル測定装置１０２に提供するのにも用いられることができる。２線プロセス制御ループの他の例は、デジタル信号がまたループ１２２に変調されるＨＡＲＴ（登録商標）通信標準に従って行うことができる。ループ１２２の他の変形例は、例えばＩＥＣ(WirelessHART（登録商標）)で特定されるような無線周波数信号を用いて、情報がワイヤレスで通信されるワイヤレスプロセス制御ループである。

図２Ａは、遠隔シール１１０の一実施形態の側断面図であり、図２Ｂは、遠隔シール１１０の分解透視図である。上記のように、遠隔シール１１０の一実施形態は、印加された圧力を、プロセス流体１０６から、毛管延長部１５４に収容されている充填流体１５２に伝達するように構成されたベローズ部分１５０を含む。毛管延長部１５４は、接続部１５８を介して図１に示されている毛細管１１２に結合している。この実施形態では、ベローズ部分１５０は、毛管延長部１５４を支えるシールボディ１５６に接着部１６０で接着されている。接続部１５８は、ハウジング１１４に向けて延びる長い毛細管１１２を受け入れるように設けられている。接着部１６０は、例えば抵抗シーム溶接等で接合されることができる。毛管延長部１５４内に充填された充填流体１５２は、また、ベローズ部分１５０とシールボディ１５６との間の間隙に提供される空所領域(void region)を充填している。充填流体１５２は、好ましくは、実質的に圧力によって変化しない非圧縮流体である。例えば、オイルまたはそれと同等の物が用いられる。ベローズ部１５０の端部は、エンドキャップ(end cap)１６４で封じられている。外側のハウジング１７０はベローズ部１５０を囲みこれを保護している。外側ハウジング１７０は、好ましくはハウジングキャップ１７２で封じられている。キャップ開口１７４は、プロセス流体１０６がハウジング空洞１７６に入ることができ、よってベローズ部１５０に圧力を印加することができるように、ハウジングキャップ１７２の中に設けられている。エンドキャップ１６４はまたベローズ部１５０の端部に溶接（例えば抵抗シーム溶接）されることができる、また、同様にハウジングエンドキャップ１７２はハウジング１７０に溶接されることができる。キャップ開口１７４は、好ましくはねじを切られており、また装置１０２を校正するのに使用するための圧力源を結合するのに用いられることができる。

動作中、プロセス流体１０６は圧力をベローズ部１５０に印加するので、ベローズ部１５０はシールボディ１５６に対して動くあるいは移動するであろう。これにより、ベローズ部１５０は、ベローズ部１５０とシールボディ１５６間の体積中に収容されている充填流体１５２に、印加圧力を伝達する。シールボディ１５６は、充填流体１５２の全体の体積を低減するための体積充填スラグ(volume fill slug)としての働きをする。これは、毛管延長部１５４を通って伝達される圧力への温度の影響を低減し、圧力測定の正確さを改善する。この実施形態では、ベローズ部１５０とエンドキャップ１６４は、充填流体１５２をプロセス流体１０６から隔離する隔離体アセンブリ(isolator assembly)を提供する。この隔離体アセンブリの表面積は、同一の直径をもつ円形ダイヤフラムの表面積より大きい。これは、同一の直径をもつ円形ダイヤフラムのみを有する隔離体アセンブリに比べて遠隔シール１１０の印加圧力に対する総合感度を増大し、圧力測定に改善された正確さを提供する。このように、本発明は、小さなハウジング開口／プロセス結合１２０を通って取り付けることのできる隔離体アセンブリを容器１０４中に提供する。

図３は、ベローズの直径より大きな直径を有する従来のダイヤフラム型遠隔シールと、本願発明のベローズ部１５０を有する遠隔シール１１０との比較を示す圧力対体積のグラフである。図３に示されているように、ベローズ型遠隔シールの印加圧力に対する感度（"線形ばね定数値（linear spring rate value）"と呼ばれる）は、従来のダイヤフラム型デザインのものより約１２パーセント（１２％）だけ小さい。しかしながら、本発明のベローズ型デザインに対する圧力と体積との間の関係は、よりよく直線に近づいている。このことは、装置の特性(characterization)をより平易にし、温度変動に対する補償をより正確に行えるようにし、よってより正確な圧力測定ができるようにする。

図４は、プロセス結合１２０を介して容器１０４（図４には図示されていない）に結合されるレベル測定装置１０２の簡略化されたブロック図である。装置１０２は、差圧を感知するように構成された圧力センサ２００を含む。センサ２００は、大気圧を基準とするゲージ圧力センサである。図４に示される構成では、圧力センサ２００の一方の側は、容器１０４の底から毛細管１１２を通って伝達される容器圧力である圧力Ｐ_Ｃに結合している。圧力センサ２００の他方の側は、大気圧Ｐ_Ａに結合している。図４の構成では、圧力Ｐ_ＣとＰ_Ａは、それぞれ、隔離ダイヤフラム２０２と２０４、毛細管２０６と２０８を介して圧力センサ２００に結合している。このため、圧力Ｐ_Ｔの場合には、この圧力は、毛細管１１２中の充填流体１５２を通り、隔離ダイヤフラム２０２を経て、毛細管２０６中に収容されている二次充填流体(secondary fill fluid)へと伝達され、その結果圧力センサ２００に印加される。隔離体と充填管は必ずしも両方とも必要とされるものではなく、いかなる適切な構成も使用できることは注意されるべきである。圧力センサ２００は、図１に示される遠隔シール１１０によって受け取られる圧力と大気圧間の圧力差を表わす出力２１０をアナログ・デジタル変換器２１２に提供する。圧力センサ２００は、いかなる適切な技術に従って動作することができる。例えば、偏向ダイヤフラムの偏向は、容量の変化に基づいて感知されることができる。センサ２００からの出力２１０は、容器１０４が搬送又は収容しているプロセス流体１０６のレベルを表わしている。アナログ・デジタル変換器２１２は、この感知圧力を表わすデジタル圧力をマイクロプロセッサ２１６に提供する。マイクロプロセッサ２１６は、クロック２２０によって決定されたレートでメモリ２１８に格納された命令に従って動作する。例えば、メモリ２１８は、アナログ・デジタル変換器２１２からの出力を図１に示されている容器１０４中のプロセス流体１０６のレベルを示す値に変換するための、マイクロプロセッサ２１６により用いられる情報(information)を格納することができる。この変換は、プロセス流体１０６のタイプ、温度及び感知された圧力差に基づいて行うことができる。該出力が温度に基づいて補償される時には、付加的な温度センサ（図示せず）を含むことができる。マイクロプロセッサ２１６は、入力／出力回路２２４を用いて遠隔地と通信することができる。例えば、データは、プロセス制御室又はモニタステーションのような他の場所へ伝送されることができる。データは、プロセス制御ループ１２２上で伝送されることができる。一実施形態では、プロセス制御ループは、ループ上の電流レベルが感知レベルを表わすように制御される４−２０ｍＡプロセス制御ループから構成される。他の実施形態では、デジタル情報は、付加情報、キャリィ命令又はコマンドを提供するために、プロセス制御ループ１２２上で変調されることができる。これは、例えば、ＨＡＲＴ（登録商標）通信プロトコルに従って行うことができる。プロセス制御ループ１２２は、またレベル測定装置１０２に電力を提供するのに用いられることができる。それ故に、同じ２線は、装置１０２に電力を供給すると同時に情報を伝送するのに用いることができる。該ループ１２２は、上述した例に限定されるものではない。他の例では、ループ１２２は、無線通信を提供する。例えば、ループ１２２は、ＩＥＣ６２５９１標準に従ってWirelessHART（登録商標）通信プロトコルに従って動作することができる。

本発明は、好ましい実施形態を参照して説明されたが、当業者は、本発明の精神と範囲から逸脱することなしに、形状や細部を変更することができることを認識するであろう。上述の実施例では、１個の差圧センサを示すだけであるが、２個の分離した圧力センサを用い、それらの２出力間の差をプロセス流体のレベルを決定するのに用いることができる。毛細管１１２は、柔軟な又は硬い鞘状のものの中に収容されることができる。柔軟な鞘状のものを用いた場合には、管１１２は保管や運搬のためにコイル状に巻かれることができる。毛細管１１２は、それがプロセス結合１２０と遠隔シール１１０との間に組み立てられると、充填流体１５２で満たされることができる。例えば、管から空気を抜くために真空装置が充填管１１２に適用され、その後管１１２は充填流体１５２で満たされる。これが完了すると、このプロセスに用いられるどのポートも封じられる。ここで使用した"ベローズ"は、その中の変化する体積を定義する柔軟なアセンブリを意味する。これは、体積を定義しない（又は含まない）ダイヤフラムと対照的である。ここで説明された特定の実施形態は、チューブ（管）状のベローズを図示しているが、本発明はこの形状に限定されるものではない。好ましくは、ベローズ部１５０の断面積は容器１０４内の開口１２０にフィットするように十分に小さい。毛細管１１２内の充填流体１５２は必要に応じて選択されることができる。例えば、シリコンオイル、プロピレン・グリコールと水、グリセリンと水、白色鉱油等から選択されることができる。本発明のベローズ構成は、同じ直径をもつダイヤフラムと比べて、遮断体または隔離体剛性（isolator stiffness）を低減するために用いられることができる。エンドキャップ１６４は、ベローズ部１５０の直径を越えて延びるように構成されることができ、よってベローズ部１５０をハウジング１７０内で整列させ、安定させるのに用いられる。プロセス結合１２０は、標準化ＮＰＴ結合、例えば１．５インチＮＰＴプロセス接続にはめ込む結合を含む。本発明によると、遠隔シールを通る垂直断面積より大きな、印加圧力に応答する表面積を提供する。さらに、ベローズの圧力応答表面積は、遠隔シールがタンク中に導入される、タンクの最上部にある開口の面積よりもより大きくなることができる。

１０２・・・圧力型レベル測定装置、１０６・・・プロセス流体、１１０・・・遠隔シール、１１２・・・毛細管、１５０・・・ベローズ部分、１５２・・・充填流体、１５４・・・毛管延長部、１５６・・・シールボディ、１５８・・・接続部、１６４・・・エンドキャップ、１７０・・・外側のハウジング、１７２・・・ハウジングキャップ、１７４・・・キャップ開口。

Claims (15)

1. 容器中のプロセス流体のレベルを測定する装置であって、
   該容器は開口を有し、
   該装置は、
   前記開口を通って前記容器中に挿入されるように構成され、該容器中のプロセス流体のレベルに関する圧力をプロセス流体から受け取るように構成された遠隔シールと、
   前記遠隔シールから前記容器内の開口へ延びる充填流体で満たされ、その間を圧力が伝達するように構成された毛細管と、
   前記毛細管に結合され、前記容器中のプロセス流体のレベルに関連する前記毛細管からの圧力を感知するように構成された圧力センサとを含み、
   前記遠隔シールは、前記プロセス流体を前記毛細管中の充填流体から隔離し、該充填流体にプロセス流体の圧力が伝達されるように配置されたベローズ部を含み、
   前記遠隔シールは、前記ベローズ部内に少なくとも部分的に含まれるシールボディを含み、該ベローズ内に収容される充填流体の体積を低減するように構成されたレベル測定装置。
2. 前記遠隔シールは、前記ベローズ部の端部を封じるように構成されたエンドキャップを含む、請求項１に記載のレベル測定装置。
3. 前記遠隔シールはその中にベローズ部を含む保護ハウジングを含み、該保護ハウジングは開口を含み、よって前記ベローズ部をプロセス流体に晒すようにした、請求項１に記載のレベル測定装置。
4. 前記開口は、さらに前記圧力センサによる圧力測定を特性化する(characterizing)のに使用するように構成されている、請求項３に記載のレベル測定装置。
5. 前記ベローズ部は、ステンレス製である、請求項１に記載のレベル測定装置。
6. 前記圧力センサは、前記容器の最上部に置かれたプロセス結合で前記毛細管と結合する、請求項１に記載のレベル測定装置。
7. 前記プロセス結合は、ＮＰＴ結合を含む、請求項６に記載のレベル測定装置。
8. 前記毛細管は、前記容器中の底部にある遠隔シールと前記容器の最上部に隣接する位置にある圧力センサとの間に、垂直に延びている、請求項１に記載のレベル測定装置。
9. 隔離ダイヤフラムと前記圧力センサとの間に置かれた二次充填流体から前記毛細管中の充填流体を隔離する前記隔離ダイヤフラムを含む、請求項１に記載のレベル測定装置。
10. 前記圧力センサが、大気圧を基準とするゲージ圧力センサからなる、請求項１に記載のレベル測定装置。
11. 前記ベローズ部の表面積が、前記プロセス流体からの印加圧力に応答し、前記遠隔シールを通る垂直断面積より大きい、請求項１に記載のレベル測定装置。
12. 容器中のプロセス流体のレベルを測定する方法であって、
    前記容器中の低位置に遠隔シールを置くことと、
    前記遠隔シールのベローズ部に圧力を印加することと、
    前記ベローズ部内の少なくとも一部に含まれ、かつ前記ベローズ部内に収容されるプロセス流体の体積を低減するように構成されたシールボディを提供することと、
    前記毛細管を通る圧力を前記容器の高位置に隣接する面へ伝えることと、
    前記容器の高位置に隣接する面の圧力を感知することと、
    圧力センサを使用し前記感知された圧力をデジタル表現に変換することと、
    前記容器中のプロセス流体のレベルを前記デジタル表現に基づいて演算することとを含む、レベル測定方法。
13. 前記ベローズ部を含むハウジング内の開口を通して圧力測定を特性化することを含む、請求項１２に記載のレベル測定方法。
14. 前記圧力センサは、大気圧を基準とするゲージ圧力センサからなる、請求項１２に記載のレベル測定方法。
15. 隔離ダイヤフラムと前記圧力センサとの間に置かれた二次充填流体から前記毛細管中の充填流体を隔離する前記隔離ダイヤフラムを提供することを含む、請求項１２に記載のレベル測定方法。