JP2005522686A - 平均化式オリフィスプライマリーフロー要素 - Google Patents

Abstract

【課題】
【解決手段】流体の速度プロフィール７が導管８の長手方向軸線に対して非対称となる箇所にて、差圧法により流体の体積流量を測定する自動平均化式オリフィス板型式のプライマリーフロー要素２を有するプロセス流量装置である。改良されたフロー要素は、導管８の内部を横切って横方向に且つ、その長手方向軸線に対し垂直に配置された、平面状の流れ妨害板２を備えている。該板は、板の下流側にて平均化する静圧を発生させ得るように導管の長手方向軸線に対し偏心状に配置された少なくとも３つの円形の開口２２を有している。流れ妨害板の両側部には、上流及び下流の静圧検出ポートがそれぞれ設けられる。

Description

本発明は、全体として、流体の速度プロフィールが導管の長手方向軸線に対して非対称となる箇所たる、流体輸送導管内のある点にて、差圧法によって、流体の体積流量を測定する自動平均化オリフィス板型式のプライマリーフロー要素を有するプロセス流量装置に関する。

流体輸送管内に直径方向に配置された板絞りであって、該絞りの上流側及び下流側に差圧測定手段を有する上記絞りにある単一の中心開口部を有するオリフィス板流量計は、古くから存在している。かかる装置の精度は長い管の場合、良好であるが、オリフィス板流量計は、エルボ、エキスパンダ、レデューサ、弁のような上流の装置又はその他の不連続部により形成された流れの乱れを伴う短い管内に配置されたとき、性能が劣るという不利益な点がある。オリフィス流量計による測定精度のため、オリフィス板に対し完全に発展した対称の速度プロフィールを提供し、かつ流体の最高速度がオリフィス板絞りの中心に対し同軸状に生じるようにするため、流量計の上流に長い（場合によっては、直径の１０倍以上）直線状の管が必要とされる。上流の管接続具又はその他の装置が速度プロフィールを歪めるとき、オリフィス流量計タップにて測定された圧力に誤差が生ずる。

上流の接続具により形成された速度プロフィールの非対称性を減少させるため、一般に使用される装置は、米国特許明細書第５，５９６，１５２号に開示された型式の流れストレートナー又は、米国特許明細書第３，７３３，８９８号に記載された流れ調整器と類似した装置である。必要なアルゴリズムを処理するコンピュータと共に、流体輸送管内で横方向に配置された板内で所定のパターンに配置された複数の細長い開口部を採用する、より複雑な装置は、米国特許明細書第５，２９５，３９７号に開示されている。変形した速度プロフィールの有害な測定効果を減少させる更に別の装置はピエゾメータリングとして既知である。この機器は、オリフィス板の両側部のオリフィスを取り巻き、また、周方向に配置された複数の圧力検出ポートにより、オリフィスの上流側及び下流側の周りの圧力を平均化する。オリフィス板流量計と共に示されていないが、ピエゾメータ型の平均化センサは、全体として米国特許明細書第５，２７９，１５５号に記載されている。

流れストレートナー、調整器、コンピュータ及びピエゾメータは、オリフィス板流量計に導入すべく速度プロフィールを適正に調整し、又は流れの非対称な速度を平均化するのに適度に効果的であるが、別個で且つ、追加的な構成要素をプロセス配管に追加し、それに伴う初期コスト、流体中の圧力降下、及び保守必要性の増加という不利益な点がある。

従って、本発明の主目的は、オリフィス板型式の流量計における精度上の利点を実現し、しかも、管内の流量計の位置決め前の長い上流配管に制限されないプライマリーフロー要素を提供することである。

本発明の相応する目的は、流体の流れを遮断する手段が、プライマリーフロー要素に与えられる流体の速度プロフィールの歪みにも拘らず、また、追加的なピエゾメータ及びそのコンピュータ、流れストレートナー又は流れ調整装置を用いずに、板を横切る差圧を平均化することを実現する差圧オリフィス板である、プライマリーフロー要素を提供することである。

本発明のその他の及び更なる目的、特徴並びに有利な効果は、添付図面に関する、本発明の実施の形態の以下の説明から明らかになるであろう。

従来のオリフィス板流量計の良好な作用は、流体の位置エネルギ、圧力エネルギ、及び運動エネルギから成る、単位質量当たりの総エネルギが、移動する流体中の任意の１つの流線に沿って、一定であると述べるベルヌーイの定理に基づくものである。このため、流体が狭小な管板のオリフィスを通って流れるとき、オリフィスを通る流体の速度は増す。この流体速度の増加によりオリフィス板の直ぐ下流の流体の動圧力は上昇すると同時に、同一点における流体の静圧は低下する。オリフィス板の上流側及び下流側に加わる静圧を検出することにより、下流側に加わる静圧が低下する結果、オリフィス板の上流側と下流側との間の差圧の測定値ｄＰとなる。流体の流量ｑは√ｄＰに比例する。上述したように、従来技術のオリフィス板流量計は、流体がその内部を流れる管の長手方向軸線の周りで速度プロフィールが対称であるとき、良好に作用する。かかる場合、絞り管板のオリフィスと同軸状である管の中心軸線に沿って最高速度の流体となる。オリフィスを通って流れるとき、最高速度の流体は、流量値を提供するために板を横切って差圧を発生させる。

しかし、速度プロフィールが歪んだならば、オリフィスを通ってより低速度の流体が流れ、下流の静圧はその低速度流体を反映するものとなろう。このようにして、絞り板を横切って発生された差圧は、流体の流量を真に示すことにはならない。

本発明によれば、色々に配置された複数のオリフィスを有する絞り板すなわち流体妨害装置が流体輸送導管内に配置され、板の上流側及び下流側にて静圧の測定が行われる。複数のオリフィスの各々は、導管内の全流体流量の一部分を伝導する。ベルヌーイの定理によれば、オリフィスの各々を通る流体の速度は、増大し、別個のオリフィスの各々に起因する絞り板の下流側に加わる流体静圧は、流体内にて平均化され、平均的な下流の静圧を提供する。いかなる速度プロフィールが多数のオリフィス板に提供されたかに拘わらず、この平均的な下流の静圧が上流の静圧と比較されて平均的な差圧を提供し、その結果、管内の流体の流量が正確に測定されることになる。

多数のオリフィス板を環状リングの中央開口部内に一体に組み込み、上流及び下流間の静圧測定ポートをリング内に配置すると、プライマリーフロー要素を更に簡略なものにする。検出された差圧をステムに取り付けられたその他の流れ処理アクセサリに伝導することのできる突出したステムが環状リングに設けられるとき、この簡略さは更に向上する。

実施の形態

本発明の簡略化した型式のものは、図１及び図１Ａに示されている。速度プロフィール７が歪む箇所であるエルボ９のすぐ下にて流体輸送導管８の端部に固定された２つの対向する取り付けフランジ４、６の間に平均化オリフィスプライマリーフロー要素２が配置される。取り付けフランジの各々は、半径方向に伸びる圧力検出ポート１０、１２を有しており、これらの圧力検出ポート１０、１２は、管内を流れる流体と連通し且つ、それぞれ導管１４、１６を通じて弁マニホルド１８及び圧力変換器１９内に接続される。ポート１０、１２の間の検出された差圧を表わす電気信号は、トランスミッタ２０により処理装置（図示せず）に伝送される。

図２にも図示したプライマリーフロー要素２は、板２の中心の周りに対称に配置された４つの開口２２を有する円形板を備えている。フロー要素板２の中心は、管８の長手方向中心線に対し同軸状に配置されている。板２は、フランジ４、６の両側に作用する圧力によって所要位置に保持されている。図３及び図４に示すように、フロー要素板２の下流側における開口２２の周端縁２４は、開口の各々を通って流れる流体のカラムが拡張するのを容易にし得るように面取り加工されることが好ましいが、必ずしもそうする必要はない。

図２Ａ及び図２Ｂには、プライマリーフロー要素の追加的な実施の形態が示されており、これら実施の形態において、より多くの複数の開口２２Ａ、２２Ｂがプライマリーフロー要素板２Ａ、２Ｂの中心の周りに群状に形成されている。本発明は図２の４つの開口の実施の形態に関して説明するが、プライマリーフロー要素板の４つの開口は多数の可能な開口の形態の１つにしか過ぎないことが理解されよう。所定の流体、流体プロフィール及び配管の特徴にとって１つの特定の開口の形態、及び数は、他のものよりもより適したものとなる。しかし、絞り板における開口の数又は位置に関係なく、主たる作用は同一である。開口の数又は形態は、図２ないし図２Ｂに示したものに限定されるものではない。

図１Ａから、絞り板２の対の上側開口２２に接近する流体の速度は、対の下側開口２２に接近する流体の速度よりも遅いことが分かる。これらの流体速度の当初の差は、板２の上流側にて、圧力ポート１０により検出された静圧に影響を与えるのみならず、それぞれの対の開口を通って流れる流体の速度にも強く影響を与え、従って、下流側ポート１２により検出される流体の静圧に影響を与えることになろう。開口の各々又は各対の開口を通って流れる流体の速度は相違するであろうから、開口の各々を通る流体の速度の関数である、板２の下流側に加わる静圧は流体内部で平均化され、下流側の圧力ポート１２がその平均化された静圧を検出する。例えば、図２及び図５に示した４つの開口２２のような、複数の開口が板２の中心の周りに配置されたとき、流体が旋回するときであるように、流体プロフィールが管の２つの軸線の周りで非対称であるときでも、静圧は平均化されよう。

４つの開口を有するプライマリーフロー要素板３０の変更形態が流体輸送管４０の２つの部分の端部に取り付けられたフランジ３４、３６の間に挿入可能である環状リングすなわちウェハ３２と一体に形成された状態で図５に示されている。上流側及び下流側の圧力検出ポート３５、３７は、図６に示すように、フロー要素板３０の各側部に配置されている。圧力検出ポート３５、３７は、ステム４５内の貫通導管３９、４１を介してマニホルド１８の導管４６、４７に接続している。その流量を測定すべき流体を運ぶ管部分内に挿入された全流量計組立体を示す、図５の実施の形態は、図６及び図７にも図示されている。

ウェハ３２は、その内径が流体輸送管４０の内径に相応する環状リングである。流れ要素板３０は、ウェハリング３２の側部の各々から実質的に等距離にてリング開口部を横切って配置される。該ウェハは、管の端部フランジ３４、３６と相接する２つのガスケット４８、４９の間に取り付けられている。半円形の位置決めリング５０は、ウェハ３２を管フランジ間のその適正な位置に配置し且つ固定する機能を果たす。ウェハ３２の配置は、リング５０の内部により形成されたクレードル内にウェハを配置し且つ、締結ボルト５５の茎部をリングの外側溝内に配置することにより実現される。

平均化オリフィス板３０が取り付けリングウェハ３２及び導管を担持するステム４５と共に一体に製造され、トランスミッタの取り付けマニホルド１８がステム４５に直接、取り付けられた状態のとき、幾つかの重要な有利な効果が実現される。最も重要なことは、差圧発生機構、圧力検出ポート、マニホルド及びトランスミッタ構成要素が管部分のフランジの間に容易に挿入可能な単一のユニットに組み込まれることである。更に、差圧発生機構は、オリフィス板以外の型式のプライマリーフロー要素からなることができる。例えば、図８に示すように、米国特許明細書第６，３２１，１６６ Ｂ１号に開示されたような、平均化ピトー管７０を、リングウェハ３２の開口部を横切って直径方向に配置することができ、その高圧及び低圧の伝導導管はステム４５内に収容された導管７１、７２に接続される。

流体輸送導管の端部に固定される２つの対向する取り付けフランジの間に配置される本発明の平均化式オリフィスプライマリーフロー要素を示す分解斜視図である。破線は、アクセサリ流れ処理装置を取り付けフランジ内に配置された上流及び下流の圧力ポートに接続する状態を示す。 １Ａは、配管内のエルボのすぐ下流に存在するであろう管内の流体の代表的な速度プロフィールを示す、図１の配管及びプライマリーフロー要素の部分断面図である。 本発明の平均化式オリフィスプライマリーフロー要素の１つの形態を示す平面図である。 ２Ａは、本発明の平均化式オリフィスプライマリーフロー要素の別の形態を示す平面図である。 ２Ｂは、本発明の平均化式オリフィスプライマリーフロー要素の更に別の形態を示す平面図である。これらの図は、オリフィス板の下流の位置から上流に見て、描いたものである。 図２Ａの線３−３に沿った断面図である。 図３の一部分の拡大部分詳細図である。 弁を担持するマニホルドを取り付ける突出した圧力連通ステムにより平均化式オリフィスプライマリーフロー要素が環状の取り付けリングの端部の中間に一体に組み込まれる、本発明の実施の形態の斜視図である。 流体輸送導管の端部にて対向する取り付けフランジの間に支持された本発明の図５に示した実施の形態の部分斜視図である。 図６の組立体の分解図である。 図５に示す平均化式オリフィス板に代えて、環状リングがピトー管型式のプライマリーフロー要素を支持する、図５の環状の取り付けフランジの変更形態を示す斜視図である。

Claims (20)

1. 流体輸送導管の部分の間に挿入される差圧平均化式プライマリーフロー測定要素において、
   周方向外面及び、形状及び寸法の点にて導管の内部断面に相応する内部開口部を有する第一及び第二の環状の取り付けフランジと、
   中心点を有する平面状の流れ妨害手段であって、第一及び第二の環状の取り付けフランジの間に配置され、中心点がフランジの内部開口部の長手方向軸線と同軸状である、流れ妨害手段とを備え、該流れ妨害手段が、
   該流れ妨害手段の中心点に対して偏心状に配置された複数の円形の開口を有する、差圧平均化式プライマリーフロー測定要素。
2. 請求項１の装置において、流れ妨害手段が平坦な板である、装置。
3. 請求項２の装置において、第一及び第二の環状の取り付けフランジが、平坦な平行側部を有する単一の環状リングとして一体に形成され、平坦な板が、リングの内部開口部を横切って横方向に且つ、リングの側部に対し平行に配置される、装置。
4. 請求項１の装置において、
   フランジのそれぞれの内部開口部とフランジの周方向外面との間に流体的連通状態を確立し得るように第一及び第二のフランジ内に半径方向に配置された第一及び第二の圧力伝達孔を更に有する、装置。
5. 請求項３の装置において、
   平坦な板の両側部にて環状リング内に半径方向に配置された第一及び第二の圧力伝達孔を更に有する、装置。
6. 請求項５の装置において、
   環状リングの周方向外面から半径方向に伸びる細長い取り付けステムであって、それぞれの第一及び第二の圧力伝達孔と連通する長手方向に貫通した第一及び第二の導管を有する前記細長い取り付けステムを更に備える、装置。
7. 請求項１の装置において、円形の開口が、その１つが斜角面付きとされた対向する周端縁を有する、装置。
8. 円形導管内の流体の体積流量を測定する差圧平均化式流量計において、
   形状及び寸法の点にて中央開口部が円形の導管の内部横断面に相応する環状体と、
   中央開口部と一致し且つ、中心点を有する円板であって、中央開口部の長手方向軸線に対して垂直な平面と一致する中央開口部内に配置され、円板の中心点に対して偏心状に配置された複数の円形の開口を有する円板とを備える、差圧平均化式流量計。
9. 請求項８の装置において、
   環状体から半径方向に伸びる支持アームであって、環状体内に伸びる、内部に配置された第一及び第二の流体輸送導管を有する支持アームと、
   円板のそれぞれの両側部にて環状体の内部開口部と連通する第一及び第二の圧力検出ポートとを備える、装置。
10. 請求項９の装置において、複数の円形の開口が、円板の中心点に対して両側に配置された第一及び第二の対の開口である４つの開口よりなり、開口の中心を接続する線が四角形を画成する、装置。
11. 請求項９の装置において、複数の円形の開口が、円板の中心点の周りで三角形のパターンに配置された３つの開口である、装置。
12. 請求項９の装置において、複数の円形の開口が、円板の中心点に対して両側に配置された第一及び第二の対の開口と、円板の中心点から隔てられた単一の開口との５つの開口よりなり、開口の中心を接続する線が五角形を画成する、装置。
13. 請求項９の装置において、複数の円形の開口が、円板の中心点から隔てられた６つの開口からなり、開口の中心を接続する線が六角形を画成する、装置。
14. 請求項８の装置において、円形の開口が、その１つが斜角面付きとされた、対向する周端縁を有する、装置。
15. 請求項９の装置において、円形の開口が、その１つが斜角面付きとされた、対向する周端縁を有する、装置。
16. 円形の導管内における流体の体積流量を測定する差圧流量計において、
    環状体であって、
    周方向外面と、
    形状及び寸法の点にて円形の導管の内部横断面に相応する中央開口部と、
    上流及び下流の対向面を有するピトー管であって、中央開口部内に且つ中央開口部を横切って直径方向に配置されたピトー管と
    を有する環状体を備える、差圧流量計。
17. 請求項１６の組み合わせ体において、ピトー−静圧管が、
    上流に対向する面における少なくとも１つ全圧ポートと、
    下流に対向する面における少なくとも１つの吸引圧ポートと、
    全圧ポート及び静圧ポートにそれぞれ流体的連通状態に接続された、管内の全圧プレナム及び吸引圧プレナムと、を有する、組み合わせ体。
18. 請求項１７の組み合わせ体において、
    環状体内で半径方向に配置されて、それぞれ全圧プレナム及び静圧プレナムと流体的連通状態に接続された第一及び第二の孔を更に有する、組み合わせ体。
19. 請求項１８の組み合わせ体において、
    環状体から半径方向に伸びる支持アームであって、環状体内に伸び且つ、環状体の第一及び第二の孔と流体的連通状態に接続する、内部に配置された第一及び第二の流体輸送導管を有する支持アームを更に備える、組み合わせ体。
20. 導管内の流体の体積流量を測定する平均化式オリフィス板流体流量計において、
    流体を上流の位置から下流の位置まで運ぶ導管と、
    導管の内部を横切って横方向に配置された平面状の流れ妨害手段と、
    導管の長手方向軸線に対して偏心状に配置された妨害手段における少なくとも３つの円形の開口と、
    流れ妨害手段の上流に且つ該流れ妨害手段の付近にて導管内に配置された第一の静圧検出手段と、
    流れ妨害手段の下流に且つ該流れ妨害手段の付近にて導管内に配置された第二の静圧検出手段とを備える、平均化式オリフィス板流体流量計。

Images