(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロセスにフィールドデバイスを連結するためのプロセスインターフェイス熱制御システムであって、
プロセスにフィールドデバイスを連結するように適合され、熱源を受けるための少なくとも１つの凹部を有するプロセスインターフェイスと、
プロセスインターフェイスに連結されてプロセスインターフェイスの温度の示度を供給する温度センサと、
温度センサに連結され、プロセスインターフェイスの温度の示度に基づいて、熱源を連動させるように構成された制御部と、を含み、
熱制御システムの温度設定点が、プロセス通信ループを通じたフィールドデバイスとの通信に基づいて変更可能であり、
プロセスインターフェイスエレメントが、プロセスフランジ又はフィールドデバイスフランジであり、
フィールドデバイスが、プロセス変数トランスミッタであり、
熱制御システムが、フィールドデバイスにより完全に電力供給され、
制御部がフィールドデバイスの一部である、
プロセスインターフェイス熱制御システム。
【請求項２】
温度センサが、プロセスインターフェイスエレメント内部に装着される、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
凹部が、それを通して伝熱流体を通過させるように適合される、請求項１記載のシステム。
【請求項４】
凹部が、伝熱流体源に動作可能に連結される、請求項３記載のシステム。
【請求項５】
伝熱流体が蒸気である、請求項４記載のシステム。
【請求項６】
伝熱流体が液体である、請求項４記載のシステム。
【請求項７】
伝熱流体源と凹部との間に介在させたバルブをさらに含み、バルブが制御部に連結され、制御部からの通電信号に基づいて始動させる、請求項４記載のシステム。
【請求項８】
凹部が、内部に電気ヒータを収容する、請求項１記載のシステム。
【請求項９】
電気ヒータがカートリッジヒータである、請求項８記載のシステム。
【請求項１０】
電気ヒータがエネルギー源に動作可能に連結され、ヒータが制御部により選択的に通電される、請求項８記載のシステム。
【請求項１１】
ヒータとエネルギー源との間に介在させたスイッチをさらに含み、スイッチが制御部に連結されて、制御部からの通電信号に基づいて、ヒータを選択的に通電する、請求項１０記載のシステム。
【請求項１２】
フィールドデバイスが、熱制御システムの制御部に連結されたフィールドデバイス制御部を含む、請求項１記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は、フィールドデバイスに関する。より詳細には、本発明は、フィールドデバイスとプロセスとの間のプロセスインターフェイスに関する。
【０００２】
発明の背景
フィールドデバイス、たとえばプロセス変数トランスミッタは、プロセス変数を遠隔感知する多くの産業で用いられている。そのような変数は一般的に、流体、たとえばスラリー、液体、気体、ガス、化学物質、パルプ、石油、薬剤、食品、およびその他の流体処理プラントに関連する。プロセス変数は、圧力、温度、流れ、濁度、密度、濃度、化学的補償、およびその他の特性を含む場合がある。フィールドデバイスのその他の例は、バルブ、アクチュエータ、ヒータ、および制御部を含む。
【０００３】
プロセス変数トランスミッタは、測定を行い、正確で信頼性のあるプロセス測定を提供するために用いられる。正確で信頼性のあるプロセス測定を行うことのひとつの課題は、プロセスインターフェイスの完全性およびプロセス媒体自体を維持することである。プロセス流体が、温度変化または流体自体の状態変化のために詰まったり凝固したりすることはよくあることで、誤った測定および場合によっては安全でないプロセス状態につながる。
【０００４】
工業用プロセス制御および測定において、熱制御システムを用いることは周知である。たとえば、高純度真空トランスデューサはしばしば、デバイス全体を、選択された温度に維持するための内部熱制御システムを有し、デバイスの精度を高めおよび／または耐用年数を長くするようにされている。加えて、いくつかのフィールドデバイスは、一次エレメントに隣接して配置された熱制御システムを使用し、エレメントが所望の温度に維持されることを確実にするようにされている。たとえば、飛行中に気流速度を測定する場合、ピトー管を加熱して、氷が堆積しないようにすることは周知である。
【０００５】
加えて、多数の外部手段および方法を使用して、フィールドデバイスに熱制御システムを適用するものもある。これらの技術は一般的に、電熱エレメントまたは蒸気トレーシングを使用するが、設置が難しく、温度測定および制御を劣らせ、維持にコストがかかりかつ煩雑である。これらのデバイスは、一般的に接続ハードウェアまたは測定器自体に外部的に取り付けられた、“増設”設計である。先のアプローチは一般に、計器モジュール自体および一次エレメント自体のいくつかの熱に関する問題に対処している一方で、プロセスインターフェイスエレメントはこのような用途に使われることがなかった。プロセスインターフェイスエレメントに増設された熱制御エレメントをともなって設置するには、さらなる制御システム、さらなる設置時間および費用が必要とされる。さらに、そのようなシステムは、エレメントに触れているため、より故障しやすい。このため、さらなる一体型の熱制御システムを備えたプロセスインターフェイスエレメントを有するフィールドデバイスに対する要望がある。そのようなフィールドデバイスは、より費用がかからず、かつよりロバスト性の高いプロセスインターフェイスの熱制御という利点を備えることになる。
【０００６】
発明の概要
フィールドデバイスは、少なくとも１つのプロセスインターフェイスエレメントを通して、プロセスに連結される。プロセスインターフェイスエレメントは、フィールドデバイスフランジ、マニホールド、インパルス配管またはプロセスフランジにすることができる。プロセスインターフェイスエレメントは、それに取り付けられた温度センサを有し、熱源を受けるように適合される。ひとつの実施態様では、熱源は、１つ以上の電気ヒータである。その他の実施態様では、熱源は、プロセスインターフェイスエレメントを通した伝熱流体トレーシングである。制御部は、温度センサに連結され、温度センサにより測定されたプロセスインターフェイスエレメントの温度に基づいて、プロセスインターフェイスエレメントに与えられた熱を制御するように適合される。
【０００７】
好ましい実施形態の詳細な説明
以下の記載では、添付の図面について述べる。本図面および本明細書は、本発明をどのようにして成し得るか、または用いられ得るか、もしくは“実践され得るか”についての特定の例、すなわち“実施形態”を提供する。本発明の範囲は、これら特定の例、およびその他の例を含み、本明細書に記載された例に限定されるべきではない。その他の例は、開示された例の後に開発されたとしても、本発明の範囲内に意図されて含まれる。本発明の保護範囲の本質から逸脱することなく、記載された実施形態に改変を加えることができ、このことは添付の請求の範囲により画定される。
【０００８】
図１は、全体として、プロセス測定システム３２の環境の一例を示す。図１は、プロセス圧力を測定するためのプロセス測定システム３２に連結された、加圧されている流体を収容するプロセス配管３０を示す。プロセス測定システム３２は、配管３０に接続されたインパルス配管３４を含む。インパルス配管３４は、プロセス圧力トランスミッタ３６に接続される。一次エレメント３３、たとえばオリフィスプレート、ベンチュリ管、フローノズル等は、プロセス配管３０内のインパルス配管３４の管の間の位置で、プロセス流体に接触する。一次エレメント３３は、流体が一次エレメント３３を越えて通り過ぎるとき、流体に圧力変化を生じさせる。
【０００９】
トランスミッタ３６は、インパルス配管３４を通してプロセス圧力を受けるプロセス測定デバイスである。トランスミッタ３６はプロセス圧力を感知し、それを、プロセス圧力の関数である標準化された伝送信号に変換する。トランスミッタはさらに、複数のプロセス変数を感知することができるか、またはプロセス制御機能を提供するように構成されることができる。この例では、トランスミッタ３６は差圧トランスミッタである。図１は、流れを測定するように構成されたトランスミッタを示す。当然ながら、差圧測定のためのトランスミッタのその他の用途が意図されている。
【００１０】
プロセスループ３８は、トランスミッタ３６への電力信号と、双方向通信との両方を容易にし、数多くのプロセス通信プロトコルに応じて構築されることができる。図示された例では、プロセスループ３８は２線式ループである。２線式ループは、その名称が示すとおり、２線だけを用いて、遠隔制御室４０にトランスミッタ３６を電気的に接続させる。２線式ループを用いて、すべての電力を伝送すると共に、４−２０ｍＡ信号で通常動作中、トランスミッタ３６への、およびトランスミッタ３６からのすべての通信を伝送する。したがって、図示されるようなトランスミッタ３６は、他の構成、たとえば３線式および４線式のトランスミッタ等が周知であり意図されていても、しばしば“２線式トランスミッタ”と呼ばれる。４−２０ｍＡのアナログ信号、およびオープンプロトコルであるＨＡＲＴ（登録商標）またはＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ（商標）フィールドバスディジタルプロトコルを用いて、通信を行うことができる。トランスミッタ３６は、デバイスバス、センサバス、プロフィバス、イーサネット、およびその他の世界中で用いられているものを含む、その他のプロセスプロトコルで用いるために構成されることができる。コンピュータ４２またはその他の情報処理システムは、モデム４４またはその他のネットワークインターフェイスを通して、トランスミッタ３６と通信するために用いられる。遠隔した電圧電源４６は、一般的にトランスミッタ３６に電力供給する。
【００１１】
図２は、トランスミッタ３６の一例の分解図を示す。フィールドデバイスフランジ５０は、センサモジュール５２に取り付けられてインパルス配管３４につながれる。センサモジュール５２は、プロセス媒体およびフィールド環境から内部構成要素を隔離するための全溶接設計であるねじ付きハウジング５３を含む。センサモジュール５２にプロセス圧力が加えられる。モジュール５２内部に配置され、プロセス媒体から機械的に、電気的に、および熱的に隔離された圧力センサ（図示せず）は、プロセス圧力を受けて、差圧を示すアナログ電気信号を供給する。
【００１２】
図３は、本発明の１つの実施形態の略線図である。システム１００は、内部に配置されて熱的に連結された電気発熱体１０４を有するプロセスインターフェイスエレメント１０２を含む。感温デバイス１０６は、プロセスインターフェイスエレメント１０２に熱的に連結され、制御部１０８に電気的に連結される。制御部１０８はさらに、制御ライン１１２を介して電気スイッチ１１０に連結される。
【００１３】
プロセスインターフェイスエレメント１０２は、少なくとも一部においては、プロセスにプロセスデバイスを連結する、あらゆるインターフェイスエレメントにすることができる。プロセスインターフェイスエレメントは、マニホールド、プロセスフランジ、インパルス配管、二次的な充填システム（たとえばリモートシール）および／またはフィールドデバイスフランジを含むが、これらに限定されない。スイッチ１１０は、ライン１１４を介して電力源に連結され、制御部１０８からの制御ライン１１２の通電に基づいて、熱源１０４に選択的に電力を通すことができる。熱源１０４は、通電に応じて温度を変化させることができるあらゆる電気デバイスにすることができる。このように、熱源１０４は、電気ヒータ、または通電に応じて冷却するデバイス、たとえば周知のペルチェ素子にすることができる。好ましくは、熱源１０４は、プロセスインターフェイスエレメントとともに用いるのに好適な、電気発熱体構成である。たとえば、熱源１０４は、プロセスインターフェイスエレメント１０２内部の好適な凹部内に配置された、１つ以上のカートリッジヒータを含んでもよい。加えて、プロセスインターフェイスエレメント１０２の設計および製造に、その他のタイプの電気ヒータ、たとえばエッチング箔ヒータを組み込むことができる。当業者においては、プロセスインターフェイスエレメント１０２を加熱するために好適であり得るその他の形式の電気的な加熱が認識されよう。
【００１４】
温度センサ１０６は、プロセスインターフェイスエレメント１０２の温度とともに変動する電気的パラメータを提供する、あらゆる好適なデバイスにすることができる。したがって、センサ１０６は、熱電対、測温抵抗体（ＲＴＤ）、サーミスタ、またはその他のあらゆる好適なデバイスにしてもよい。好ましくは、センサ１０６はプロセスインターフェイスエレメント１０２の内部に配置される。プロセスインターフェイスエレメント１０２の内部に配置されているセンサ１０６の一例は、プロセスインターフェイスエレメント１０２内部の、好適なサイズにされた凹部内に配置された、ＲＴＤプローブであるセンサ１０６を含む。
【００１５】
制御部１０８は、ライン１１２に供給された好適な制御信号を、好適な制御手順を用いて、温度センサ１０６から供給された温度センサ信号に関連付けることができる論理および／または回路を含む。制御部１０８は、好ましくはマイクロプロセッサとともに、入力信号を受けて出力信号を生成するために好適な入出力回路を含む。たとえば、温度センサ１０６がＲＴＤである場合、制御部１０８は、ＲＴＤを通して小電流を送り、ＲＴＤの両端に生じた関連する電圧を測定するために好適な回路を含むことができる。１つの実施形態では、制御部１０８は、熱制御システム１００が連結されたフィールドデバイスの制御部であってもよい。たとえば、プロセス変数トランスミッタが、内部にマイクロプロセッサを有する圧力トランスミッタである実施形態では、制御部１０８は、プロセス変数トランスミッタ内部のマイクロプロセッサにより備えられてもよい。しかし、その他の実施形態では、制御部１０８およびスイッチ１１０の両方が、プロセスインターフェイスエレメント１０２の独立した温度制御を維持するための追加の増設モジュールであってもよい。その他の実施形態では、この制御部１０８およびスイッチ１１０は、プロセスインターフェイスエレメント１０２と一体型であってもよい。
【００１６】
図４は、本発明の１つの実施形態の、プロセスインターフェイス熱制御システム１２０の略線図である。制御システム１２０は、制御システム１００に類似した構成要素を数多く含み、同様の構成要素には同様の番号が付されている。制御システム１２０は、伝熱流体、たとえば蒸気を用いて、プロセスインターフェイスエレメント１０２の温度を制御するという点において、制御システム１００と異なる。したがって、システム１００のスイッチ１１０は、システム１２０のバルブ１２２に置き換えられる。バルブ１２２は伝熱流体源１２４に連結される。バルブ１２２は、制御部１０８からのライン１１２の通電に基づいて、プロセスインターフェイスエレメント１０２のトレーシング１２６を通して、伝熱流体を選択的に流れさせることを可能にする。プロセスインターフェイスエレメント１０２を励起する伝熱流体は、参照番号１２８で示され、追加の構成要素、たとえばその他のプロセスインターフェイスエレメントで用いることができ、排出させることができるか、または回収されることができる。前述のように、センサ１０６は制御部１０８に、プロセスインターフェイスエレメント１０２の温度の示度を供給し、制御部１０８は、ライン１１２に沿ってバルブ１２２を選択的に通電して伝熱流体の流れを制御し、それによりプロセスインターフェイスエレメント１０２の温度を制御する。プロセスインターフェイスに関連する伝熱流体の温度に依存して、プロセスインターフェイスを通した流体の流れが、プロセスインターフェイスを加熱または冷却することができる。
【００１７】
図５は、プロセスインターフェイス熱制御システム１５０の略線図である。システム１５０はプロセスインターフェイスエレメント１０２を含み、本実施形態では、プロセスインターフェイスエレメント１０２は、内部にカートリッジヒータ１５６を受けるための複数の凹部１５４を有するマニホールド１５２である。マニホールド１５２は、温度センサ１０６を受ける凹部１５８をさらに有する。スイッチ１６０は、ライン１６２を介して電力源に連結され、制御部１０８からの制御ライン１１２の通電に基づいて、ライン１６２からの電力によりカートリッジヒータ１５６を選択的に通電する。スイッチ１６０は、比較的小さな通電信号に基づいて、比較的大きな電力量を切り替えることが可能である、任意の好適なデバイスにすることができる。たとえば、スイッチ１６０は、リレー、半導体スイッチ、またはその他のあらゆる好適なデバイスであってよい。マニホールド１５２は、装着ホール１６２および圧力導管１６４を含む。
【００１８】
熱制御システム１５０により、マニホールド１５２を、制御部１０８に保存され選択された温度設定点に維持することが可能になる。したがって、センサ１０６が、マニホールド１５２の実際の温度が設定点よりも低いことを示す場合、制御部１０８はライン１１２に沿ってスイッチ１６０を通電し、カートリッジヒータ１５６を用いてマニホールド１５２を加熱するようにされている。比例、比例積分、比例微分、および比例積分微分（ＰＩＤ）を含むが、これに限定されないあらゆる好適な制御方式を用いることができる。
【００１９】
図６は、本発明のその他の実施形態の、プロセスインターフェイス熱制御システム１７０の略線図である。システム１７０のマニホールド１７２は、マニホールド１５２に類似しているが、内部に伝熱流体トレーシング１７４を含む。バルブ１７６は伝熱流体源１７８に連結され、制御部１０８からの制御ライン１１２の通電に基づいて、トレーシング１７４および出口１８０を通して、伝熱流体を選択的に流れさせることを可能にする。その他の実施形態に記載したとおり、制御部１０８は、温度センサ１０６により測定された温度に基づいて、ライン１１２にそって通電信号を生成する。図６に示すとおり、温度センサ１０６は、好ましくは伝熱流体トレーシング１７４に比較的近接して配置される。図６に示す実施形態では、センサ１０６は、実際に伝熱流体トレーシング１７４のわずかに上または下に配置される。好ましくは、伝熱流体は蒸気であるが、液体、たとえば水、油、または不凍液を含む、あらゆる好適な流体にすることができる。
【００２０】
図７は、その他のタイプのプロセスインターフェイスエレメント１０２の略線図である。本実施形態では、プロセスインターフェイスエレメント１０２は、フランジ、たとえばプロセスまたはフィールドデバイスフランジ１８２である。フランジ１８２は、伝熱流体トレーシング１７４に比較的近接して配置された、伝熱流体トレーシング１７４およびホール１８４を含む。ホール１８４は、温度センサ、たとえば温度センサ１０６を装着するために好適である。
【００２１】
図８は、本発明の１つの実施形態の、プロセスインターフェイスエレメント２００の斜視図である。エレメント２００は導管であり、導管内部の流体を介して、圧力感知デバイスに、プロセスからのプロセス圧力を伝送する。エレメント２００の１つの形状は、変更されたインパルス管２０２を含む。しかし、エレメント２００はさらに、二次的な充填システム、たとえばリモートシールにすることができる。インパルス管２０２は、プロセス変数トランスミッタに連結するためのねじ山２０４を含む。加えて、インパルス管２０２は、インパルス管に熱的に連結された熱源２０６を有する。図示された実施形態では、熱源２０６は、管２０２に接着されるかまたは固着された被覆材内部に配置された電気発熱体２０８である。温度センサ２１０は、管２０２の温度を感知するために配置される。エレメント２０８およびセンサ２１０はそれぞれ、本発明の実施形態によるプロセスデバイスに連結可能なリード線を含み、プロセスデバイスが熱制御機能を備えるようにされている。たとえば、プロセスデバイスは、温度センサを用いてインパルス管２０２の温度を判定し、発熱体２０８を用いて、インパルス配管２０２に、選択されたエネルギー量を与えることができる。図８は単に、熱制御されたインパルス管の一例を示す。その他の実施形態は、蒸気トレーシングにより加熱されたまたは冷却されたインパルス配管を含む。これらの実施形態では、フィールドデバイスは熱制御機能を備え、さらなる温度制御部を必要としないようにされている。
【００２２】
プロセスインターフェイスの熱制御は、多くの利点を提供する。第１に、プロセスインターフェイスをプロセス媒体の凍結温度付近で作動させる用途では、制御された熱源を備えることにより、インターフェイスから圧力センサモジュールまでの通路が凍結しないことを確実にする。さらに、温度がプロセス媒体の凍結点付近でない用途であっても、プロセスインターフェイスを加熱することは、温度変化または流体自体の状態変化による凝固または閉塞の発生を減少させるものと思われる。さらに、プロセスインターフェイスが制御可能に冷却される実施形態では、そのような冷却は、インターフェイスに隣接したプロセス媒体の温度を、臨界温度以下、たとえばプロセス媒体の沸点以下に保つための助けとすることができる。
【００２３】
フィールドデバイスが好適な電力量を受けることができる実施形態では、スイッチ／バルブおよび制御部の両方を、フィールドデバイスの一部として組み込むことができることが考えられる。さらに、熱制御システムの制御部がフィールドデバイスの一部である実施形態では、プロセス制御および測定ループを通じて、熱制御の様子、たとえば現在のプロセスインターフェイスエレメントの温度および／または警告状態を伝達することができる。加えて、制御部は、プロセス制御および測定ループを通じて、所望のとおりに、熱制御システムのための新規の温度設定点を受けることができる。
【００２４】
さらに、プロセスインターフェイスエレメント熱制御システムは、フィールドデバイスから完全に独立させてもよいことが明確に意図されている。したがって、フィールドデバイスは、プロセス制御および測定ループの比較的低い電力（たとえば４−２０ｍＡ）で動作できるので、熱制御システムは、１２０ボルト６０Ｈｚの電力を使用することができる。さらに、フィールドデバイスのプロセッサと、熱制御システムのプロセッサとが分離されている実施形態では、これらをひとつに連結して相互間の通信を可能にすることができる。本発明の実施形態では、単一のプロセスインターフェイスエレメントに関して説明してきたが、単一のフィールドデバイスに対するまたは複数のフィールドデバイスに対する複数のプロセスインターフェイスエレメントに、熱制御システムを適用してもよいことが明確に意図されている。
【００２５】
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、本発明の本質および範囲から逸脱することなく、形態および詳細に改変を加えることが可能であることが認識されよう。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】プロセス測定システムのひとつの環境の略線図である。
【図２】代表的なプロセス変数トランスミッタの分解図である。
【図３】本発明のひとつの実施形態の、プロセスインターフェイス熱制御システムの略線図である。
【図４】本発明のその他の実施形態の、プロセスインターフェイス熱制御システムの略線図である。
【図５】本発明のその他の実施形態の、プロセスインターフェイス熱制御システムの略線図である。
【図６】本発明のその他の実施形態の、プロセスインターフェイス熱制御システムの略線図である。
【図７】本発明のひとつの実施形態の、その他のタイプのプロセスインターフェイスエレメントの略線図である。
【図８】本発明のひとつの実施形態の、その他のタイプのプロセスインターフェイスエレメントの略線図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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