JP5394506B2 - 渦振動センサプレートを持つ渦流量計 - Google Patents

Description

背景
本発明は、流量計、とりわけ、移動する流体中に発生させたカルマン渦列の渦の周波数または周期を測定する原理で動作する、流量計に関する。
流量計は、プロセス流体を測定するために、産業用プロセスで使われる。一つの種類の流量計は、渦流量計として知られ、流体中の渦を検出することによって流量を測定する。これらの渦は、渦振動センサプレートを使用して検出することができる。測定の精度は、渦に応答するための振動の遅れの能力によって影響される。薄いプレートは、より正確な測定を提供することができるが、厚いプレートより不具合の傾向にある。

概要
渦流量計は、ダイアフラムを有する渦反応アセンブリを含む。ダイアフラムは、アセンブリの基端を封止し、隔離室を形成する。アセンブリは、流動路の側壁における開口部を封止するように適合されている。支持支柱は、好ましくは、アセンブリから流動路内に突出している。一つの機器構成では、渦振動センサプレートは、ダイアフラム上に支持された隣接端部と、無支持の対向する末端端部とを有する。渦振動センサプレートは、好ましくは支持支柱によって支持されている、上流側および下流側端部を有する。旋回支柱は、渦振動センサプレートの中心領域に沿って延伸している。旋回支柱は、ダイアフラムを通して延伸している。旋回支柱は、センサに渦振動を伝達する。電子伝送回路は、センサ出力を受け、流体の流量に関する出力を提供する。

渦流量計の側断面図を例示する。 図１の渦流量計の端面図を例示する。 渦を検出する装置の側断面図を例示する。 図３の線４−４に沿った前方横断面図を例示する。 図３〜４に図示する装置の底面図を例示する。 図３〜５に図示する装置の斜視図を例示する。 装置の製造におけるプロセス工程を例示する。 装置の製造におけるプロセス工程を例示する。 装置の製造におけるプロセス工程を例示する。

例示的な実施態様の詳細な説明
以下に記載する実施態様では、渦を検出する渦検出装置は、渦流量計内の渦発生バー（vortex shedding bar）の下流側に位置する。装置は、渦を検出する渦振動センサプレートを含む。渦振動センサプレートは、上流側および下流側支持支柱によって支持された上流側および下流側端部を有する。渦振動センサプレートの上側隣接端部は、ダイアフラム上に支持されている。渦振動センサプレートの下側末端端部は、無支持であり、渦に応じて自由に移動する。旋回支柱は、渦振動センサプレートに取り付けられ、ダイアフラムを通して通過し、ダイアフラム後方の隔離室内に入る。旋回支柱は、隔離室内に延伸しており、隔離室内の位置に渦振動を伝達する。センサは、旋回支柱に連結され、渦振動を検出する。センサは、渦振動周波数を表す電気出力を提供する、伝送回路に接続されている。渦振動周波数は、渦流量計を通した流体流動速度を表す。

支持支柱の使用により、渦振動センサプレートは、薄く、小さい質量を有することが可能である。支持支柱の使用により、渦振動センサプレートの剛性が増大する。減少した質量および増大した剛性により、検出の固有共振周波数が増大し、結果的に検出の周波数範囲が拡大し、信号対雑音比が向上する。支持支柱は、渦振動センサプレートの上流側および下流側端部の望ましくないフラッピングを制限する。

図１は、渦流量計１００の側断面図を例示する。渦流量計１００は、流動管１０２を通して流体の流体流動１０４を運ぶための流動管１０２を含む。流動管１０２は、円形の円筒側壁１０３を含む。流体流動１０４は、液体または気体を含むことができる。配管フランジ１０６、１０８は、流動管１０２に接合されている。配管フランジ１０６、１０８は、ボルト（例示せず）で流体導管システムに設置するためのボルト穴、例えば、ボルト穴１１０、１１２を包含する。配管フランジ１０６、１０８は、流体導管システムの対になるフランジに対して封止するための封止面１１４、１１６を包含する。

渦流量計１００は、流動管１０２内部に渦発生バー１１８を含む。渦発生バー１１８は、鈍頭物体（bluff body）形状を含む。渦発生バー１１８は、上流側位置１２０で流動管１０２に取り付けられている。流体流動１０４が発生バー１１８を過ぎて流動するにつれ、流体流動１０４内に渦が生成される。渦をフォンカルマン渦列と呼ぶ。流体流動１０４が下流側位置１２２を通過するにつれ、渦が存在する。下流側位置１２２は、上流側位置１２０の下流側に位置する。

流動管１０２は、側壁１０３に開口部１２４を包含する。渦流量計１００は、開口部１２４を通して通過する装置１２６を含む。開口部１２４を通して流動管１０２内の流体が漏出しないように、装置１２６が開口部１２４を封止している。装置１２６は、流体流動１０４内に延伸し、下流側区域１２２で渦を検出する。装置１２６は、流体流動１０４内の渦を検出し、流体流動１０４の外部の位置１２８に渦の機械的運動を伝達する。装置１２６は、発生バー１１８の一部ではない。装置１２６は、発生バー１１８から下流側に距離を置いて離間している。図３〜７に関連し、以下に装置１２６をより詳細に記載する。

渦流量計１００は、伝送器１４０を含む。伝送器１４０は、電子伝送回路１４２を含む。伝送器１４０は、位置１２８で機械的運動を検出し、機械的運動を表す電気センサ信号を提供する、機械的センサ１４４を含む。機械的センサ１４４は、リード線１４６によって接続され、電子伝送回路１４２に電気センサ信号を提供する。電子伝送回路１４２は、電気センサ信号を、出力リード線１４８に提供される標準伝送信号に変換する。電子伝送回路１４２は、検出されたフォンカルマン渦列の振動に基づき、流動管１０２を通した流体流動１０４に関する出力を提供する。機械的センサ１４４は、検出区域１２８で渦振動を検出し、リード線１４６上でセンサ出力を提供する。電子伝送回路１４２は、機械的センサ１４４からのセンサ出力を受け、出力リード線１４８上で標準伝送信号を出力する。一つの実施態様によると、標準伝送信号は、４〜２０ミリアンペアの二配線伝送出力信号を含む。もう一つの実施態様によると、４〜２０mA信号は、電子伝送回路１４２および機械的センサ１４４のためのすべての通電を提供する。他の実施態様によると、出力リード線１４８上の標準伝送信号は、ＣＡＮ、ＨＡＲＴ、ＰＲＯＦＩＢＵＳまたは他の公知の標準的な産業用通信信号を含む。リード線１４８は、同じ二つの配線が機器に給電し、データを運ぶ、二配線プロセス制御ループを含むことができる。一つの機器構成では、通信ループは、例として、無線周波数（ＲＦ）通信を使用し、データをワイヤレスに伝送するワイヤレスプロセス制御ループである。

図２は、図１の渦流量計１００の端面図を例示する。図２で使用している符号は、図１で使用している符号と同じである。図２に例示するように、装置１２６のうち、流動管１０２内部の部分は、発生バー１１８の後方で下流側方向に整列している。図３〜６に関連し、以下により詳細に記載するように、図１〜２の装置１２６は、渦振動センサプレートと、支持支柱と、機械的センサ１４４に機械的運動を伝達する、旋回支柱とを含む。

図３は、渦反応アッセンブリ２００（図１〜２に図示する装置１２６に対応する）の側横断面図を例示する。渦反応アッセンブリ２００は、アセンブリ２０２を含む。アセンブリ２０２は、アセンブリ２０２の基端２０６を封止し、アセンブリ２０２内に隔離室２０８を形成する、ダイアフラム２０４を包含する。アセンブリ２０２は、流動路２１４の側壁２１２（図１の側壁１０３に対応する）における開口部２１０（図１の開口部１２４に対応する）を封止する。一つの実施態様によると、アセンブリ２０２と側壁２１２との間に一つ以上のＯリング２１１を挟み、封止を向上させる。一つの態様によると、ダイアフラム２０４は、側壁２１２における開口部２１０を封止するように構成され、下流側位置１２２に隔離領域２０８を形成する。

渦反応アッセンブリ２００は、上流側支持支柱２１６および下流側支持支柱２１８を含む。支持支柱２１６、２１８は、アセンブリ２０２から流動路２１４内に突出している。一つの実施態様によると、支持支柱２１６、２１８は、支持支柱２１６、２１８に追加的な支持を提供する、コーナーガセット２１７、２１９を包含する。

アッセンブリ２００は、ダイアフラム２０４上に支持された隣接端部２２２を有する、渦振動センサプレート２２０を含む。渦振動センサプレート２２０は、隣接端部２２２に対向する、無支持の末端端部２２４を有する。渦振動センサプレート２２０は、支持支柱２１６、２１８によって支持された上流側端部２２６および下流側端部２２８を有する。一つの実施態様によると、支持支柱２１６、２１８は、渦がセンサプレート２２０を通過することによる上流側および下流側端部２２６、２２８のフラッピングを制限する。

アッセンブリ２００は、旋回支柱２３０を含む。旋回支柱２３０は、渦振動センサプレート２２０の中心領域に沿って延伸している。旋回支柱２３０は、ダイアフラム２０４を通して延伸している。旋回支柱２３０は、隔離室２０８内部の検出区域２３２に渦振動を伝達する。一つの態様によると、旋回支柱２３０は、隔離室２０８内の検出区域２３２において、渦振動センサプレート２２０からの渦振動２３８をセンサ２４２に伝達するように構成される。

旋回支柱２３０は、区域２３２でセンサ２４２に連結されている。センサ２４２は、従来の設計であることができ、機械的振動または機械的振動周波数を検出するために使用される容量センサ、磁気センサ、光学センサ、圧電センサまたは他のセンサを含むことができる。センサ２４２は、旋回支柱２３０の回転振動を検出する。センサ２４２は、アセンブリ２０２に設置されている。一つの実施態様によると、センサ２４２は、旋回支柱２３０の運動を検出する。もう一つの実施態様によると、センサ２４２は、旋回支柱２３０によってセンサ２４２に働く力を検出する。なおもう一つの実施態様によると、センサ２４２は、旋回支柱２３０の移動を制約しない。なおもう一つの実施態様によると、センサ２４２は、旋回支柱２３０の移動を制約する。

図４は、図３に図示する渦反応アッセンブリ２００の（図３の線４−４に沿った）前方横断面図を例示する。一つの実施態様によると、旋回支柱２３０がダイアフラム２０４に隣接する回転軸２３４の周囲で慣性的に平衡化される。慣性平衡は、装置が併進振動雑音に対して低減した感度を有するという効果を有する。

もう一つの実施態様によると、粘性材料の任意の物体２３６が隔離室２０８内で旋回支柱２３０に接触して配置される。粘性材料の物体２３２は、旋回支柱２３０の回転運動を減衰させる。もう一つの実施態様によると、旋回支柱２３０の旋回運動２３８の振動が少なくとも０．４の減衰比（ゼータ）を有する。粘性減衰は、固有共振周波数に対してほとんど影響を有さないが、フラッピングを制限する。もう一つの実施態様によると、旋回支柱２３０の旋回運動２３８の振動は、検出する渦振動の上側周波数制限よりも少なくとも２０%高い、制御された固有共振周波数を有する。検出する上側周波数は、一般的に、特に、流動する流体が気体または液体であるかに関わらず、流動する流体の特性に対応する。渦振動の周波数は、流動する流体の速度の公知の関数である。渦振動周波数と流体速度との関係は、流量計の校正試験により、経験的に求められる。

一つの実施態様によると、ダイアフラム２０４の端部における半径（例えば、半径２２３）は、剛性に対する影響を有し、ダイアフラム２０４の剛性を制御するようにサイズを決定することができる。もう一つによると、半径（例えば、半径２２３）は、感度にも作用し、感度を制御するようにサイズを決定することができる。

図５は、図３〜４に図示する渦反応アッセンブリ２００を側壁２１２に据え付けた状態の底面図を例示する。図５は、渦振動センサプレート２２０の厚さＴ_{ＰＬＡＴＥ}を例示する。図５は、渦反応アッセンブリ２００の下側端（末端）における支持支柱２１６、２１８の最小厚さＴ_{ＳＴＲＵＴ}を例示する。一つの実施態様によると、渦振動センサプレート２２０は、支持支柱２１６、２１８の制御された最小厚さＴ_{ＳＴＲＵＴ}の３０%未満である、制御された厚さＴ_{ＰＬＡＴＥ}を有する。

支持支柱２１６、２１８の使用により、渦振動センサプレート２２０が薄く、結果的に、振動中の小さい移動質量が可能である。支持支柱２１６、２１８は、渦振動センサプレート２２０が剛的であるように、渦振動センサプレート２２０の上流側および下流側端部２２６、２２８を支持する。結果的なシステムは、小さい移動質量および高い剛性によって制御される、増大した固有共振周波数を有する。固有共振周波数は、システム質量およびシステム剛性に依存する。支持支柱２２６、２２８と旋回支柱２３０の下側端（末端）との間の溝において薄い渦振動プレートを使用することにより、システム質量を低減する。

図６は、図３に図示する渦反応アッセンブリ２００の斜視図を例示する。一つの実施態様によると、支持支柱２１６、２１８がＶ字形状の横断面２４０を含む。図６に最もよく見られるように、渦反応アッセンブリ２００は、Ｏリング２１１を受ける形状をしたＯリング溝２１３を包含する。渦反応アッセンブリ２００は、渦反応アッセンブリ２００を流動管に設置するためのボルトを受けるようにサイズが決定された設置穴、例えば、穴２５２、２５４、２５６を包含する、矩形の設置フランジ２５０を含む。渦反応アッセンブリ２００は、ボルトの取り外しにより、現場作業環境で着脱可能である。

図７Ａ、７Ｂ、７Ｃは、装置３００（図１〜２に図示する装置１２６に対応する）の製造におけるプロセス工程を例示する。図７Ａに図示する第一のプロセス工程では、渦振動センサプレート３２０を除き、装置３００を完全に形成する。図７Ａに図示する工程では、渦振動センサプレート３２０が欠けている。図７Ａの装置は、支持支柱３１６、３１８および旋回支柱３３０に切られたスロット３５０を含む。

図７Ｂに図示する第二のプロセス工程では、例示するように、金属プレート３６０をスロット３５０に挿入する。矢印３６２、３６４で例示するように、金属プレートに張力がかかるように、金属プレート３６０を伸張力で伸張させる。金属プレート３６０を伸張させ、張力をかけつつ、支持支柱３１６、３１８および旋回支柱３３０の両側に対し、金属プレート３６０を連続的に溶接または蝋付けする。溶接または蝋付けの完了後、伸張力を取り除く。

図７Ｂに図示する第三の工程では、金属プレート３６０の廃棄部分を除去し、金属プレート３６０の中心部分を渦振動センサプレート３２０として残す。渦振動センサプレート３２０は、渦による偏向がない場合、中心静止位置において蓄積引張応力３６６、３６８下にある。蓄積引張応力により、渦振動センサプレート３２０の剛性が増大する。

好ましい実施態様を参照しながら本開示を行っているものの、当業者は、本発明の本質および範囲を逸することなく、形態および詳細の変更を行うことができることを理解する。例として、渦流量計は、フランジ付き流動管ではなく、フランジ無し流動管を含むことができる。もう一つの例では、センサ２４２をアセンブリ２０２の一体的な一部として作成することができる。なおもう一つの例では、アセンブリ２０２を外面的にねじ切りし、ねじ切りされた開口部２１０にねじ込み、ボルトの必要を解消することができる。

Claims (19)

1. 渦流量計であって、
   流体流動を下流側方向に運ぶように適合された、流動路の周囲に側壁を有する配管と、
   流動路内の上流側位置に設置され、流体流動内に渦振動を引き起こす渦発生バーと、
   渦反応アセンブリと、
   センサからのセンサ出力を受け、流体の流量に関する出力を提供する、電子伝送回路と
   を含み、
   渦反応アセンブリが、
   側壁の開口部を封止し、隔離領域を形成するダイアフラム、
   渦振動センサプレート、および
   渦振動センサプレートからの渦振動をセンサに伝達するため、渦振動センサプレートの中心領域に沿って延伸し、かつ、ダイアフラムを通して延伸している、旋回支柱、を含み、
   前記渦反応アセンブリが、さらに、前記渦反応アセンブリから突出する上流側支持支柱及び下流側支持支柱を含み、
   前記渦振動センサプレートが、前記ダイアフラム上に支持された隣接端部、対向する無支持の末端端部、前記上流側支持支柱によって支持された上流側端部、及び、前記下流側支持支柱によって支持された下流側端部を含む、
   渦流量計。
2. 隔離室内で旋回支柱に接触している粘性材料をさらに含み、粘性材料が、旋回支柱の回転運動を減衰させる、請求項１記載の渦流量計。
3. 上流側および下流側端部のフラッピングを制限する支持支柱をさらに含む、請求項１記載の渦流量計。
4. 渦振動センサプレートが、支持支柱の最小厚さの３０%未満である厚さを有する、請求項３記載の渦流量計。
5. 支持支柱が、Ｖ字形状の横断面を含む、請求項４記載の渦流量計。
6. 旋回支柱が、ダイアフラムに隣接する回転軸の周囲で慣性的に平衡化される、請求項１記載の渦流量計。
7. 旋回支柱の旋回運動の振動が、少なくとも０．４の減衰係数を有する、請求項１記載の渦流量計。
8. 渦振動センサプレートが、中心静止位置において蓄積引張応力下にある、請求項１記載の渦流量計。
9. 旋回支柱の旋回運動の振動が、渦振動の上側周波数制限よりも少なくとも２０%高い固有共振周波数を有する、請求項１記載の渦流量計。
10. 方法であって、
    流動路の周囲に配管側壁を提供する工程、
    流動路内の上流側位置に渦発生バーを設置する工程、
    配管側壁の開口部をダイアフラムで封止し、隔離領域を形成する工程、
    渦振動センサプレートからセンサに渦振動を伝達し、流動路を通したプロセス流体の流動による旋回支柱の振動を検出するため、旋回支柱を渦振動センサプレートの中心領域に沿い、かつ、ダイアフラムを通して延伸させる工程、
    検出した振動に基づき、流体の流量を測定するセンサ出力を受ける、電子伝送回路を提供する工程、
    渦振動センサプレートの隣接端部をダイアフラム上に支持する工程、
    前記センサプレートの無支持の対向する末端端部を提供する工程、及び、
    上流側支持支柱及び下流側支持支柱を提供し、前記上流側支持支柱が前記センサプレートの上流側端部を支持し、前記下流側支持支柱が前記センサプレートの下流側端部を支持する工程、を含む、
    方法。
11. 隔離室内で旋回支柱に接触して粘性材料を配置する工程をさらに含む、請求項１０記載の方法。
12. 上流側端部および下流側端部のフラッピングを制限するための支持支柱を提供する工程をさらに含む、請求項１０記載の方法。
13. 渦振動センサプレートの厚さを、支持支柱の最小厚さの３０%未満とする工程をさらに含む、請求項１２記載の方法。
14. ダイアフラムに隣接する回転軸の周囲で旋回支柱を軸方向に平衡化する工程をさらに含む、請求項１０記載の方法。
15. 旋回支柱の回転運動の振動の固有共振周波数が、渦振動の上側周波数制限よりも少なくとも２０%高い固有共振周波数を有する、請求項１０記載の方法。
16. 支持支柱を、Ｖ字形状の横断面を有する形状にする工程をさらに含む、請求項１２記載の方法。
17. 二配線プロセス制御ループ上の標準伝送信号を提供する工程をさらに含む、請求項１０記載の方法。
18. ワイヤレス信号を含む標準伝送信号を提供する工程をさらに含む、請求項１０記載の方法。
19. ＣＡＮ、ＨＡＲＴおよびＰＲＯＦＩＢＵＳ産業用通信信号の群から選択された標準伝送信号を提供する工程をさらに含む、請求項１０記載の方法。

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