(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平均温度補償型送信機であって、
プロセスパラメータを特徴付けるセンサ信号を発生させるように構成されたセンサモジュールと、
絶縁コアの周囲に螺旋状に巻かれた、またはマンドレルの内部で螺旋状に巻かれたワイヤコアと、前記ワイヤコアの両端部に電気的に接続されたリード線と、前記ワイヤコアを保護しかつ電気的に絶縁するように構成されたシースと、を有する抵抗温度検出デバイスを備えた、広範な感度領域を有する温度平均化センサであって、該送信機の広範な領域を特徴付ける前記広範な感度領域に沿ってサンプリングされる平均温度補償信号を発生させる温度平均化センサと、
上記センサ信号および上記平均温度補償信号の関数として、補償出力を発生させるように構成されたコントローラと、
屋外装置通信プロトコルを介して上記補償出力を送信するように構成されたインタフェースと、
を備え、
上記ワイヤコアは、前記送信機の形状および作動特性に応じて、感度領域に沿って比較的高密度で巻かれ、かつ、低感度領域に沿って低密度で巻かれることを特徴とする平均温度補償型送信機。
【請求項２】
上記センサモジュールは、圧力センサを含むことを特徴とする請求項１に記載の送信機。
【請求項３】
上記センサモジュールは、温度センサ、レベルセンサおよび流量メータのうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１に記載の送信機。
【請求項４】
上記ワイヤコアは、ドイツ工業規格等級の白金、基準等級の白金、ニッケル、銅、およびニッケル／鉄合金のうちの少なくとも１つからなることを特徴とする請求項１に記載の送信機。
【請求項５】
上記抵抗温度検出デバイスは、２ワイヤ形出力ブリッジ、３ワイヤ形出力ブリッジおよび４ワイヤ形出力ブリッジのうちのいずれか１つに電気的に接続されることを特徴とする請求項４に記載の送信機。
【請求項６】
上記送信機は、上記抵抗温度検出デバイスにおける自己発熱の影響について自動補正されることを特徴とする請求項４に記載の送信機。
【請求項７】
上記温度平均化センサは、柔軟であることを特徴とする請求項１に記載の送信機。
【請求項８】
上記温度平均化センサは、概ね平坦であることを特徴とする請求項１に記載の送信機。
【請求項９】
上記送信機が、変化する周囲温度を受けているとき、該送信機の広範な領域は、互いに異なる温度状態にある複数の領域を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の送信機。
【請求項１０】
上記送信機が、準安定状態の熱流を受けているとき、該送信機の広範な領域は、互いに異なる温度状態にある複数の領域を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の送信機。
【請求項１１】
平均温度補償型コントローラであって、
絶縁コアの周囲に螺旋状に巻かれた、またはマンドレルの内部で螺旋状に巻かれたワイヤコアと、前記ワイヤコアの両端部に電気的に接続されたリード線と、前記ワイヤコアを保護しかつ電気的に絶縁するように構成されたシースと、を有する抵抗温度検出デバイスを備えた、広範な感度領域を有する温度平均化センサであって、該コントローラの広範な領域を特徴付ける前記広範な感度領域に沿ってサンプリングされる平均温度補償信号を発生させる温度平均化センサと、
プロセス制御入力を受け、このプロセス制御入力と上記平均温度補償信号の関数として、補償した制御出力を発生させるように構成された電子回路モジュールと、
上記補償した制御出力の関数として、プロセスパラメータに影響を与えるように構成された制御モジュールと、
を備え、
上記ワイヤコアは、前記コントローラの形状および作動特性に応じて、感度領域に沿って比較的高密度で巻かれ、かつ、低感度領域に沿って低密度で巻かれることを特徴とする平均温度補償型コントローラ。
【請求項１２】
上記制御モジュールは、温度コントローラを含むことを特徴とする請求項１１に記載のコントローラ。
【請求項１３】
上記制御モジュールは、弁ポジショナおよび弁アクチュエータのうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１１に記載のコントローラ。
【請求項１４】
上記コントローラは、プロセス流量を特徴付けるように構成されたセンサモジュールをさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載のコントローラ。
【請求項１５】
上記コントローラは、自己発熱の影響について自動補正されることを特徴とする請求項１１に記載のコントローラ。
【請求項１６】
温度平均化屋外装置による補償の方法であって、
プロセスパラメータを特徴付けるプロセス信号を発生させ、
絶縁コアの周囲に螺旋状に巻かれた、またはマンドレルの内部で螺旋状に巻かれたワイヤコアと、前記ワイヤコアの両端部に電気的に接続されたリード線と、前記ワイヤコアを保護しかつ電気的に絶縁するように構成されたシースと、を有する抵抗温度検出デバイスであって、前記ワイヤコアが、該屋外装置の形状および作動特性に応じて、感度領域に沿って比較的高密度で巻かれ、かつ、低感度領域に沿って低密度で巻かれた、抵抗温度検出デバイスを用いて、該抵抗温度検出デバイスの広範な感度領域に沿ってサンプリングすることにより、該屋外装置の広範な領域に亘る平均温度を検出し、
上記平均温度の関数として、プロセス信号を補償し、
補償したプロセス信号の関数として、出力を発生させること、
を含む方法。
【請求項１７】
上記プロセス信号がセンサ信号を含み、上記出力が補償したセンサ出力を含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
上記プロセス信号がプロセス制御入力を含み、上記出力が補償した制御出力を含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
上記プロセス信号がさらにセンサ信号を含み、上記出力がさらに補償したセンサ出力を含むことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、屋外装置の温度補償に関し、詳しくは、屋外装置の広範な領域を特徴付ける温度平均化センサを用いての補償に関する。
【背景技術】
【０００２】
本明細書中の「屋外装置」という用語は、圧力、温度、流量などのプロセスパラメータの測定および制御を行うように設計された広範囲のプロセス管理装置のことを指している。屋外装置としては、センサモジュールを用いてプロセスパラメータを測定ないし検出するように構成された送信機と、制御モジュールを用いて（例えば、弁の位置決めや圧力の調整によって）プロセスパラメータを修正ないし制御するように構成されたコントローラと、の両方がある。屋外装置は、また、圧力／温度送信機などのマルチセンサ送信機としてもよいし、センサモジュールおよび制御モジュールの両方を含む複合型コントローラ（例えば、複合型流量調整器）としてもよい。屋外装置は、また、（例えば、複合型静圧タンク計器システムにおいて）関連する測定と制御の機能の範囲を一体に組み込むことができるような、さらに汎用化された屋外モジュールを利用することができる。
【０００３】
屋外装置は、製造、流体処理、食品調製および環境制御を含む用途に広く利用することができるとともに、空気、水、液体の炭化水素燃料、天然ガス、糊、樹脂、薄膜、およびポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）などの熱可塑性プラスチックを含む広範囲のプロセス材料に適用することができる。これらの用途のほとんどにおいて、少なくともある型式の温度補償が必要とされ、一般に、直接的影響および間接的影響の両方に対処しなければならない。直接的影響としては、特に圧力および容積に関連した測定に関する、プロセス材料自体の温度依存性がある。間接的影響としては、熱電センサ応答などの屋外装置内の温度依存性、アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータまたはデジタル−アナログ（Ｄ／Ａ）コンバータの温度依存性、および他の関連する影響がある。
【０００４】
直接的な温度補償では、プロセス材料の測定が必要であり、この測定には、大きな貯留量および流量とがしばしば関与する。これは、例えば、石油の精製やバルク燃料の輸送のようなエネルギ分野の用途において特に当てはまり、これらの用途においては、単一の流量単位ないし貯蔵容積の中でも、プロセス温度が実質的に変化し得る。従って、直接的な温度補償は、マルチスポット温度センサを利用するか、代替的に、プロセス材料の広い領域を特徴付ける温度平均化センサを利用する。
【０００５】
他方で、屋外装置向けの温度補償は、これまでは、シングルスポット補償センサに依存してきた。屋外装置は、典型的なプロセス容積と比較して一般に小さく、理想的な場合、このスケールにおいては温度が著しく変化することは少ない。さらには、屋外装置は、単純で、コンパクトで、丈夫な設計の方法を重要視しているので、いずれの場合においても、屋外装置に複雑なマルチスポット補償システムを組み込むことは難しい。
【０００６】
しかし、実際の運転条件においては、著しく不均一な温度条件が生じることがある。プロセス熱流、保守作業、および変化する周囲条件のすべてが温度勾配を生じさせ、この温度勾配は、典型的な屋外装置に亘って１０℃〜２０℃を越えることがある。このような条件において、シングルポイントセンサが屋外装置を適切に特徴付けることができずに、信号ドリフト、バイアスおよび他の影響が生じてしまうことがある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、この欠点を克服し、従来技術を改善した温度補償技術が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
平均温度補償型屋外装置が、プロセス材料に関連するプロセスパラメータを特徴付けるセンサモジュールと、該屋外装置内の広範な領域を特徴付ける温度平均化センサと、を利用する。このセンサモジュールおよび温度平均化センサは、アナログ信号を発生させ、アナログ信号は、アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータによってデジタル化される。マイクロプロセッサが、これらのデジタル信号の関数として、補償した出力を発生させ、インタフェースが、商業的に入手可能な通信プロトコルを利用して、補償出力を送信する。
【０００９】
さまざまな実施例において、センサモジュールは、圧力トランスデューサ、熱電対トランスデューサ、流量メータ、レベルセンサまたは他の型式のセンサを含む。代替的に、屋外装置は、上記の機能性のいくつかを組み合わせたマルチセンサ装置としてもよい。温度平均化センサは、典型的には、柔軟な抵抗温度検出デバイス（ＲＴＤ）からなり、通信プロトコルは、標準アナログプロトコル、ハイブリッドアナログ−デジタル（ＨＡＲＴ（登録商標））プロトコル、またはＦｉｅｌｄｂｕｓなどのデジタルプロトコルであり、無線または有線の制御バス技術を利用する。
【００１０】
平均温度補償型コントローラが、平均温度センサ、電子回路モジュールおよび制御モジュールを備える。電子回路モジュールは、プロセス制御入力を受け、このプロセス制御入力と、温度平均化センサからの補償信号と、の関数として、補償した制御出力を発生させるように構成されている。制御モジュールは、補償した制御出力の関数として、プロセスパラメータに影響を与えるように構成されている。さまざまな実施例において、制御モジュールは、温度コントローラ、圧力調整器、または液体レベルコントローラを含む。他の実施例においては、制御モジュールは、弁ポジショナまたは弁アクチュエータを含み、コントローラは、流量を特徴付けるように構成されたセンサモジュールをさらに含む。この実施例においては、コントローラは、複合型流量調整器である。
【００１１】
温度平均化屋外装置による補償の方法は、プロセスパラメータを特徴付けるプロセス信号を発生させ、該屋外装置の広い領域に亘る平均温度を検出し、この平均温度の関数として、プロセス信号を補償し、この補償したプロセス信号の関数として、出力を発生させること、を含む。一実施例においては、プロセス信号がセンサ信号からなり、出力が補償した出力からなる。他の実施例においては、プロセス信号がプロセス制御入力からなり、出力が補償したプロセス制御出力からなる。代替的に、屋外装置は、上記の機能性を合わせ持つ複合型コントローラである。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１Ａ】平均温度補償型送信機のブロック図。
【図１Ｂ】平均温度補償型屋外装置のブロック図。
【図２】圧力検出の実施例における、図１の送信機の断面概略図。
【図３Ａ】ドリフト誘導の（時間依存性の）温度勾配を受けている、図２の圧力送信機の側面図。
【図３Ｂ】バイアス誘導の（準安定状態の）温度勾配を受けている、図２の圧力送信機の側面図。
【図４Ａ】ほぼ均一な感度を有する柔軟かつ概ね線形の温度平均化センサの概略図。
【図４Ｂ】優先的感度を有する柔軟かつ概ね線形の温度平均化センサの概略図。
【図４Ｃ】ほぼ均一な感度を有する柔軟かつ概ね平坦な温度平均化センサの概略図。
【図４Ｄ】優先的感度を有する柔軟かつ概ね平坦な温度平均化センサの概略図。
【図５Ａ】２ワイヤ形ブリッジ出力構成とともに図４Ａの温度平均化センサを示す概略図。
【図５Ｂ】３ワイヤ形ブリッジ出力構成とともに図４Ａの温度平均化センサを示す概略図。
【図５Ｃ】４ワイヤ形出力構成とともに図４Ａの温度平均化センサを示す概略図。
【図６Ａ】自動補正型の実施例における、図１Ａの送信機のブロック図。
【図６Ｂ】自動補正型の実施例における、図１Ｂのコントローラのブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１Ａは、平均温度補償型送信機１０のブロック図である。この送信機１０は、ハウジング１１、主測定センサ（「センサモジュール」）１２、温度平均化センサ（「Ｔavgセンサ」）１３および電子回路モジュール１４Ａからなる屋外装置である。
【００１４】
ハウジング１１は、金属や耐久性プラスチックなどの耐久性材料からなる。このハウジング１１は、センサ１２，１３および電子回路モジュール１４Ａを含む内部部品を固定するように構成された内部取付構造を有する。ハウジング１１は、これらの内部部品を電気的に絶縁するとともに、湿気、腐食剤などの有害な環境条件からシールドし、さらには、プロセス機械、工具、落下物または他の潜在的な危険と接触しないように保護する。ハウジング１１は、また、プロセス材料を含んでいるプロセス構造体に該送信機１１を取り付けるように構成された接続構造を提供する。
【００１５】
センサモジュール１２は、プロセス材料に関連した物理的パラメータ（プロセスパラメータ）を特徴付けるアナログセンサ信号を発生させるように構成されている。さまざまな実施例において、センサモジュール１２は、例えば、プロセス圧力を特徴付ける（つまり測定する）ように構成された、圧電センサ、静電容量圧力センサあるいは電気機械圧力センサなどの圧力センサを含む。代替的に、センサモジュール１２は、熱電対温度トランスジューサなどの温度センサ、質量流量メータなどの流量メータ、液体レベルセンサ、または他の型式のセンサを含む。送信機１０には、また、複数のセンサモジュール１２からなる圧力／温度送信機などの、マルチセンサとする実施例もある。
【００１６】
温度平均化センサ（Ｔavgセンサ）１３は、抵抗温度検出デバイス（ＲＴＤ）などの温度感知要素を含む。この温度平均化センサ１３は、従来技術のシングルスポット（つまり単一の点）センサと異なるとともに、複数の別個のシングルスポットセンサからなるマルチスポット（つまり複数の点）センサとも異なる広範な感度領域を有する。このセンサ１３は、送信機１０内の広い領域を特徴付けるアナログ補償信号を発生させ、さまざまな屋外モジュールの形状とさまざまな屋外装置の用途に適合するより代表的な補償信号を提供する。
【００１７】
センサモジュール１２が熱電対温度トランスデューサを含む実施例においては、Ｔavgセンサ１３は、冷接点補償を改善する。しかし、Ｔavgセンサ１３は、熱電対に近接する一点のみに感知能力が制限されないので、さらに、電子回路モジュール１４Ａ内の温度依存性の要素あるいは該屋外装置における他の温度依存性の要素を特徴付けるように構成することができる。このＴavgセンサ１３は、さらに、プロセス温度を特徴付けることができるように、プロセス材料に近接するハウジング１１の領域を特徴付けるように構成することができる。
【００１８】
電子回路モジュール１４Ａは、アナログ−デジタルコンバータ（Ａ／Ｄコンバータ）１５Ａ、マイクロプロセッサ１６およびインタフェース（Ｉ／Ｆ）１７を備える。いくつかの実施例においては、電子回路モジュールは、さらに、センサモジュール１２およびＴavgセンサ１３からのアナログ信号を予備増幅する予備増幅器要素を含む。代替的に、センサモジュール１２またはＴavgセンサ１３が、複合型予備増幅器要素を含む。
【００１９】
Ａ／Ｄコンバータ１５Ａは、主センサ１２およびＴavgセンサ１３からのアナログ信号をデジタル化する。Ａ／Ｄコンバータには、センサモジュール１２およびＴavgセンサ１３の特定の感度やスケールレンジ（測定範囲）に適切となるように、線形系、双線形系および非線形系とする実施例がある。これらのＡ／Ｄコンバータは、シグマデルタ変調を利用するか、あるいは様々な製造供給元から入手可能な他の変換アーキテクチャを利用する、多様なフラッシュＡ／Ｄコンバータである。いくつかの実施例においては、電子回路モジュール１４Ａは、主センサ１２およびＴavgセンサ１３の両方からの信号をデジタル化するように構成された単一型Ａ／Ｄコンバータ１５Ａを含む。
【００２０】
マイクロプロセッサ１６は、Ａ／Ｄコンバータ１５Ａにクロックパルスを送り、選択的に、双線形ブレークポイントや変換スケールなどのＡ/Ｄパラメータを設定する。このマイクロプロセッサは、さらに、デジタル補償信号の関数として、デジタルセンサ信号を補償し、補償センサ出力を発生させる。一般に、補償は、デジタル信号の予備較正された（工場で設定された）関数として、初期段階に実行されるが、送信機および他の汎用化された屋外装置では共に、典型的に、現場に基づいた較正も行われる。
【００２１】
マイクロプロセッサ１６は、インタフェース（Ｉ／Ｆ）１７に補償したセンサ出力を送る。マイクロプロセッサ１６は、また、デジタルまたはアナログのいずれかの形式で補償信号を与えるとともに、デートスタンプ、タイムスタンプ、あるいは主センサ１２およびＴavgセンサ１３の作動状態を示す診断信号を与えるように構成することもできる。いくつかの実施例においては、マイクロプロセッサ１６は、センサ信号を線形化する、該送信機のレンジを変更する、減衰特性を調整する、あるいは追加の診断信号を与える、という追加の機能を備える。
【００２２】
インタフェース１７は、手持ち式コントローラ、遠くにいる作業員、またはＥｍｅｒｓｏｎ  Ｐｒｏｃｅｓｓ  Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ社を含む製造供給元から入手可能なＤｅｌｔａＶなどの自動制御システムへ、補償出力を送信する。一実施例においては、インタフェース１７は、双方向デジタルプロトコルであるＰｒｏｆｉｂｕｓ／Ｆｉｅｌｄｂｕｓ通信プロトコルを使用する。他の実施例においては、インタフェース１７は、標準の４〜２０ｍＡのアナログ信号プロトコルを使用するか、あるいは標準アナログ信号にデジタル通信を重ね合わせるＨＡＲＴ（登録商標）などのハイブリッドプロトコルを使用する。このインタフェースは、また、同じくＥｍｅｒｓｏｎ  Ｐｒｏｃｅｓｓ  Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ社から入手可能なＨＡＲＴ（登録商標）ベース１４２０ワイヤレスゲートウェイと互換性のある、例えば９０２〜９２８ＭＨｚの信号を、無線周波（ＲＦ）送信機を介して通信するように構成することができる。
【００２３】
送信機１０の作動中に、主センサ１２およびＴavgセンサ１３は、Ａ／Ｄコンバータ１５Ａにアナログ信号を送る。マイクロプロセッサ１６は、Ａ／Ｄコンバータにクロックパルスを送り、このＡ／Ｄコンバータは、アナログ信号をデジタル化してデジタル信号に変換する。マイクロプロセッサ１６は、デジタル補償信号の関数として、デジタルセンサ信号を補償し、インタフェース１７に向けて、補償したセンサ出力を発生させる。このインタフェースは、上述した１つまたは複数の通信プロトコルに従って、この補償した出力を送信する。
【００２４】
ＨＡＲＴ（登録商標）およびＦｉｅｌｄｂｕｓの実施例においては、インタフェース１７は、デジタル制御信号を受けるが、これらのデジタル制御信号は、マイクロプロセッサ１６によるＡ／Ｄクロックを要求すること、Ａ／Ｄ変換パラメータを送ること、デートスタンプおよびタイムスタンプの情報を設定すること、較正または診断を容易にすること、あるいは他のプロセス管理および制御目的のために使用されるものである。これらの実施例においては、インタフェース１７は、また、さまざまな診断信号をデジタル形式で送信することができる。
【００２５】
図１Ｂは、平均温度補償型コントローラ１８のブロック図である。この実施例においては、コントローラ１８は、ハウジング１１、Ｔavgセンサ１３、電子回路モジュール１４Ｂおよび制御モジュール１９からなる屋外装置である。
【００２６】
ハウジング１１およびＴavgセンサ１３は、図１Ａの送信機１０に関して上記に説明したのと同様に作動することができる。しかし、送信機１０と異なり、コントローラ１８は、電子回路モジュール１４Ａの代わりに電子回路モジュール１４Ｂを備え、センサモジュール１２の代わりに制御モジュール１９を備える。
【００２７】
電子回路モジュール１４Ｂは、Ａ／Ｄコンバータ１５Ａ、マイクロプロセッサ１６およびインタフェース１７を含むとともに、上記に説明したような予備増幅器要素を含み得る。この電子回路モジュール１４Ｂは、さらに、デジタル−アナログ（Ｄ／Ａ）コンバータ１５Ｂを含む。
【００２８】
制御モジュール１９は、例えば、市販の、温度コントローラ、圧力調整器、液体レベルコントローラ、弁ポジショナ、弁アクチュエータおよび流量調整器などさまざまなものを含む。代替的に、制御モジュール１９は、静圧タンク計器システムの構成要素などの、測定と制御の両方の機能性に関してさらに汎用化された屋外モジュールである。制御モジュール１９は、特定の実施例に拘わらず、温度依存性の測定および制御技術を、温度依存性のプロセスパラメータに適用するので、センサモジュール１２および送信機１０に関して上記に説明したのと同様の利点が温度補償から得られる。
【００２９】
屋外装置１８の作動中に、インタフェース１７は、標準アナログプロトコル、ＨＡＲＴ（登録商標）またはＦｉｅｌｄｂｕｓ通信プロトコルを介して、プロセス制御入力を受けるように構成されている。マイクロプロセッサ１６は、Ｔavgセンサ１３からの補償信号の関数として、制御信号を補償し、続いて、制御モジュール１９に対して補償した（アナログ）制御出力を発生させるために、Ｄ／Ａコンバータ１５Ｂにクロックパルスを送る。この補償関数は、工場または現地のいずれかで較正され、あるいはこれらの組み合わせによって較正されてもよい。
【００３０】
補償した制御出力は、電流レベル、可変パルス幅電子パルス、空気圧、または他の制御出力を含む。制御モジュール１９は、制御出力の関数として、例えば、弁を作動あるいは位置決めすることによって、もしくは抵抗加熱器に電流を流すことによって、プロセスパラメータに影響を与えるように構成されている。本質的に、センサモジュール１２が、プロセスパラメータを受動的に特徴付ける（すなわち、測定する）ように構成されている一方で、制御モジュール１９は、プロセスパラメータを能動的に特徴付ける（すなわち、物理的に影響を与えるつまり変化させる）ように構成されている。
【００３１】
なお、図１Ａおよび図１Ｂは、広範に及ぶ可能な実施例のうちの代表的な例に過ぎない。特に、平均温度に基づく補償の利点は、送信機、コントローラ、マルチセンサ送信機、複合型コントローラ、および他の汎用屋外装置に対して、さらには、商業的に入手可能なシステムおよび特注設計のシステムの両方に対して、等しく適用され得る。
【００３２】
図２は、圧力検出の実施例における送信機１０の断面の概略図である。この実施例においては、送信機１０は、３０５１Ｔシリーズの静電容量形圧力送信機および温度平均化センサ１３からなる。３０５１Ｔシリーズは、Ｅｍｅｒｓｏｎ  Ｐｒｏｃｅｓｓ  Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ社の一事業所である、ミネソタ州Ｃｈａｎｈａｓｓｅｎ所在のＲｏｓｅｍｏｕｎｔ，Ｉｎｃ．，社から入手可能である。
【００３３】
図２の実施例においては、ハウジング１１は、送信機カバー２１、端子カバー２２、取付要素２３、および接続ナット２４を備える。このハウジング１１内に収められている送信機の内部要素は、センサモジュール１２、Ｔavgセンサ１３、電子回路モジュール１４Ａを含み、さらにこの実施例においては、端子ブロック２５を含む。
【００３４】
図２における構成要素の相対的な寸法、形状および位置は、可能な屋外装置の構成の範囲を示すものであり、この構成における３０５１Ｔシリーズの送信機は、一例に過ぎない。しかし、図２は、本明細書中に開示した温度平均化補償技術の一般的な利点を示すものであり、これらの利点は、すべての可能な実施例に本来備わっているものである。
【００３５】
詳しくは、Ｔavgセンサ１３は、送信機１０ないし種々の汎用屋外装置における広範な領域を特徴付ける補償信号を発生させるように構成されている。例えば、Ｔavgセンサ１３は、センサモジュール１２と電子回路モジュール１４Ａの両方に近接した温度を特徴づけるとともに、他の温度依存性の要素に近接した、あるいは代替的にプロセス材料に近接した、ハウジング１１の領域の温度を、同時に特徴付けるように構成することができる。このように構成できることは、屋外装置が不均一な温度の影響を受けているときに特に重要である。
【００３６】
図３Ａは、ドリフトを誘導する（時間依存性の）温度勾配を受けている、図２の実施例の送信機１０の側面図である。この送信機１０は、点線で示したＴavgセンサ１３と、ハウジング１１と、を備える。このハウジング１１は、カバー２１，２２、取付要素２３、接続ナット２４、コンジット接続部３１およびネームプレート３２を備える。この送信機１０の他の内部要素は、図２を参照して上記に説明したのと同様であるが、図３Ａには示していない。
【００３７】
温度勾配は、等温線Ｔ1，Ｔ2，Ｔ3によって示されており、これらの等温線Ｔ1，Ｔ2，Ｔ3は、図３Ａの上部左側から底部右側へ向かって概して低下する（すなわち、Ｔ1＜Ｔ2＜Ｔ3）不均一な温度勾配を特徴付けている。このような勾配は、例えば、太陽光などの放射熱源の導入、プロセス熱流の変化、または他の時間依存性の影響による環境温度の時間依存性の変化から生じる。
【００３８】
従来技術において典型的なシングルスポット温度補償技術では、温度平衡（すなわち、屋外装置内のいずれの位置においても温度が同じとき）用の最適な配置と、図３Ａに示すような不均一な作動条件における予測不可能な影響との間で、折り合いをつけることが必要である。特に、シングルスポットセンサにおいては、センサ位置での温度と、屋外装置の他の要素の位置での温度と、の間の一過性の（時間依存性の）変化によって、信号ドリフトが発生し得る。これによって、「本当の」つまり公称の値からはずれた補償信号が生じ、延いては、センサ出力がドリフトしてしまう。
【００３９】
しかし、温度平均化センサ１３は、信号ドリフトを受けにくい。なぜなら、温度平均化センサ１３の拡がった感度領域が、この勾配に亘って互いに異なる複数の温度領域を同時に特徴付けるからである。これによって、さらに代表的な補償信号を与えるとともに、変化する温度に対して迅速に応答することが可能となる。さらに、柔軟性のあるセンサである実施例においては、Ｔavgセンサ１３は、ほとんどの屋外装置の形状に合わせることができ、詳しくは、平衡および非平衡の両方の温度条件で用いられるものとして構成される。
【００４０】
図３Ｂは、バイアスを誘導する（準安定状態の）温度勾配を受けている、図２の実施例の送信機１０の側面図である。この図においては、温度は、図３Ａの底部から上部へ向かって低下している（同じく、Ｔ1＜Ｔ2＜Ｔ3）。このような勾配は、送信機１０を通流するプロセス熱の準安定状態の流れから、あるいは他の熱流から生じる。
【００４１】
図３Ｂに示すような準安定状態の勾配によって、信号バイアスが誘導され得る。バイアス（あるいは「オフセット」）は、シングルスポット補償センサの位置における温度と、屋外装置の他の構成要素の位置における温度と、の差異から生じるという点で、信号ドリフトと似ている。しかし、準安定状態の熱流は、時間の経過とともに低減しにくい比較的安定した勾配を発生させるので、信号バイアスは、信号ドリフトよりも長時間持続し得る。
【００４２】
温度平均化センサ１３は、シングルスポットセンサよりもさらに代表的な補償信号を生成するように拡がった感度領域を有するので、従来技術よりもバイアスを受けにくい。このＴavgセンサ１３は、さらには、複数の別個のシングルスポット成分を必要とする複雑なマルチスポット（複数の点）システムとも異なり、一体型のコンパクトなパッケージ内で、単一の補償信号を送るように構成することができる。
【００４３】
図４Ａは、ほぼ均一な感度を有する、柔軟かつ概ね線形の実施例における温度平均化センサ１３を概略的に示す。この実施例においては、センサ１３は、抵抗温度検出デバイス（ＲＴＤ）からなり、この抵抗温度検出デバイスは、リード線４１，４２、シース４３およびほぼ均一なワイヤコア４４からなる。
【００４４】
リード線４１とワイヤコア４４とがＴavgセンサ１３の長さに沿った電気的パスを形成するように、リード線４１，４２が、ワイヤコア４４の両端部に電気的に接続されている。これらのリード線と外部の電子回路との接続については、図５Ａ〜図５Ｃを参照して、後述する。
【００４５】
シース４３は、ワイヤコア４４を保護しかつ電気的に絶縁するように構成されている。このシースは、柔軟なコンジット、柔軟なホース、柔軟なプラスチックコーティング、または他の形態のシース材料からなる。シース４３の断面形状は、ワイヤコア４４の断面形状と概ね合致するように、ほぼ円形、ほぼ楕円形、あるいは他のさまざまな形状にされる。
【００４６】
ワイヤコア４４は、ドイツ工業規格等級の（あるいは欧州標準の）白金、基準等級の（少なくとも９９．９９９％の純度の）白金、ニッケル、銅、ニッケル／鉄合金、あるいは温度依存抵抗度を有する他の材料からなる抵抗性伝導ワイヤコアである。ワイヤコア４４は、一般に、絶縁コア巻線（図示せず）の周囲に巻かれるか、あるいは代替的に、マンドレル（図示せず）の内部で巻かれる。このようなワイヤコアに、テキサス州Ｒｏｕｎｄ  Ｒｏｃｋ所在のＷｅｅｄ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社、ニューハンプシャー州Ｈｕｄｓｏｎ所在のＲｄＦ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社、Ｅｍｅｒｓｏｎ  Ｐｒｏｃｅｓｓ  Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ社および他の製造供給元から入手可能なＲＴＤが与えられる。シース４３、ワイヤコア４４、およびコア巻線またはマンドレルは、一般に柔軟であり、これによって、Ｔavgセンサ１３は、上記のような、屋外装置のさまざまな形状に合致し得る。
【００４７】
図４Ａの実施例においては、ワイヤコア４４は、ほぼ均一であり、Ｔavgセンサ１３の長さに亘ってほぼ同じ密度で巻かれている。この場合に、ＲＴＤの形状が単純であり、センサ１３の感度領域全体に沿ってほぼ均等にサンプリングされた均一重みつき平均温度補償信号が与えられる。
【００４８】
図４Ｂは、優先的感度を有する、柔軟かつ概ね線形の実施例におけるＴavgセンサ１３を概略的に示す。この実施例においては、リード線４１，４２およびシース４３は、図４Ａを参照して上記に説明した通りであるが、ワイヤコア４４は、実質的に均一ではない。そうではなく、ワイヤコア４４は、該ワイヤコアが比較的高密度に巻かれた複数の広い感度領域４５と、該ワイヤコアが低密度に巻かれた、あるいは幾つかの実施例においては温度感度の低い材料によって置き換えられた、複数の低感度領域４６と、からなる。
【００４９】
優先的感度を有する図４Ｂの実施例は、図３Ａおよび図３Ｂに示したような不均一な温度勾配に対しても適合し得る。一般に、拡げた感度領域４５は、屋外装置の温度に影響される要素に実質的に近接して配置されるので、補償信号は、これらの要素を優先的に特徴付ける。センサ１３と温度に影響される要素との間の熱的結合にも、同様の効果を与えることができる。これによって、単純で、単一の信号で、単一型の要素の設計を維持しつつ、種々の特定の屋外装置の形状および作動特性に合うように、さらに柔軟にセンサ１３を調節することができる。
【００５０】
図４Ｃは、ほぼ均一な感度を有する、柔軟かつ概ね平坦な実施例におけるＴavgセンサ１３を概略的に示す。この実施例においては、センサ１３は、薄膜ＲＴＤからなり、この薄膜ＲＴＤは、リード線４１，４２と、一般に基板４７上への蒸着によって形成されるほぼ均一な薄膜ワイヤコア４４と、からなる。一般に、ワイヤコアの上面に、さらに、保護・絶縁コーティングが施されるが、図４Ｃには示していない。
【００５１】
図４Ｄは、優先的感度を有する、柔軟かつ概ね平坦な実施例のＴavgセンサ１３を概略的に示す。この実施例においては、ワイヤコアは、図４Ｂに示したものと類似する拡い感度領域４５および低感度領域４６を有する。
【００５２】
図４Ｃおよび図４Ｄに示す実施例は、マイクロ流体工学および他の小スケール用途に対して、柔軟な薄壁型屋外装置に対して、さらには構成要素の寸法と厚さが重要なファクタである他の用途に対して、適当なものである。これらの実施例は、一般に、ミネソタ州Ｓｔ．Ｐａｕｌ所在の３Ｍ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社から入手可能なポリイミドフィルムなどの柔軟な基板上に形成される。代替的に、柔軟ではなくかつ平坦な実施例が、シリコンベース基板またはセラミック基板などの剛性の基板上に形成される。
【００５３】
図５Ａ〜図５Ｃは、温度平均化センサ１３のさまざまな出力配線の構成を示す。このＴavg１３センサは、概ね線形かつ柔軟で、均一な感度を有するＲＴＤの実施例（図４Ａ参照）を用いて示しているが、これは一例に過ぎない。これらの配線の構成は、柔軟な実施例および剛体の実施例、概ね線形あるいは概ね平坦の実施例、および他のセンサの形状に対して、等しく適用することができる。
【００５４】
図５Ａは、２ワイヤ形ブリッジ出力構成とともにＴavgセンサ１３を示す概略図である。この実施例においては、出力配線は、ワイヤコア４４に亘って接続されたリード線４１，４２と、ブリッジ抵抗５１，５２，５３と、からなる。マイクロプロセッサ１６内に、可変電圧源５４と電流計５５を備えている。
【００５５】
２ワイヤ形ブリッジは、比較的単純かつ丈夫な出力巻線の構成を提供する。ブリッジ抵抗５１，５２，５３が、リード線４１，４２と、Ａ／Ｄコンバータ１５Ａと、に接続されている。可変電圧源５４が、ブリッジ抵抗５３によって制限されつつＴavgセンサ１３に流れる電流を供給する。ＲＴＤに沿った平均温度は、ワイヤコア４４の抵抗の関数であり、この抵抗の値は、オームの法則から確定される。
【００５６】
Ｒ＝Ｖ／Ｉ                                        ［１］
電圧Ｖは、Ａ／Ｄコンバータ１５Ａによって定まり、電流Ｉは、電圧源５４を電流計５５で調節することによって（あるいは、図５Ｃの実施例に関して以下に説明する定電流源によって）定まる。
【００５７】
図５Ｂは、３ワイヤ形ブリッジ出力構成とともにＴavgセンサ１３を示す概略図である。図５Ａの２ワイヤ形ブリッジと比較して、３ワイヤ形ブリッジでは、第３のリード線５６が必要とされる。３ワイヤ形ブリッジは、リード線４１，４２における一連の抵抗の影響を低減し、この影響をほとんど受けていない信号を、Ａ／Ｄコンバータ１５Ａの位置に発生させる。
【００５８】
図５Ｃは、４ワイヤ形出力構成とともにＴavgセンサ１３を示す概略図である。この構成においては、第３のリード線５６および第４のリード線５７の両方が必要とされ、整合していないリード抵抗の影響が低減される。この構成においては、ブリッジ抵抗が無く、可変電圧源５４と電流計５５は、それぞれ、定電流源５８と電圧計５９に置き換えられている。
【００５９】
図５Ａ〜図５Ｃに示すように、ＲＴＤは、電圧源５４（図５Ｃにおいては電流源５８）によって供給された、ワイヤコア４４を流れる電流によって自己発熱する。この自己発熱の程度は、ワイヤコアに送られる電力に等しい。すなわち、
Ｐ＝ＩＶ                                          ［２］
ここでＰは、電流Ｉおよび電圧Ｖに依存する自己発熱の熱起電力である。
【００６０】
この自己発熱によって、ワイヤコアの温度が周囲環境よりもわずかに高くなり、これによって、ワイヤコアの抵抗値が変化し、従って、自己発熱の要素が補償信号に導入される。自己発熱は、単に、ＲＴＤの抵抗値と自己発熱の熱起電力との（ほぼ直線的な）関係の傾きである自己発熱指数（ＳＨＩ）を確定することによって、補正することができる。すなわち、
ＳＨＩ＝（Ｒ1−Ｒ2）／（Ｐ1−Ｐ2）                  ［２］
ここでＲ1とＲ2は、それぞれ、電力レベルＰ1とＰ2に対応する抵抗値である。
【００６１】
本質的に、ＳＨＩの値は、自己発熱の熱起電力の変化量に対する抵抗値の変化量の割合である。自己発熱の熱起電力は、ＲＴＤに亘って測定された電流Ｉと電圧Ｖを用いて、式２によって求められ、抵抗値は、オームの法則（式１）によって求められる。ＳＨＩが確定されれば、自己発熱の熱起電力に比例するΔＲだけ抵抗Ｒを減少させることによって、種々の電流Ｉおよび種々の電圧Ｖについて、ＲＴＤ信号を補正することができる。
【００６２】
ΔＲ＝ＳＨＩ×Ｐ                                    ［２］
図６Ａは、自動補正型の実施例における送信機１０のブロック図である。この実施例においては、マイクロプロセッサ１６は、さらに、図５Ａおよび図５Ｂに示した可変電圧源５４および電流計５５を備え、あるいは代替的に、図５Ｃに示した定電流源５８および電圧計５９を備える。
【００６３】
自己発熱の影響についてＴavgセンサ１３を自動補正するために、マイクロプロセッサ１６は、ワイヤコア内に２種類の電流を流し、式３を用いて自己発熱指数（ＳＨＩ）を計算する。この自己発熱指数は、式４または他の同様なアルゴリズムを用いて、Ｔavgセンサ１３に流れる電流の影響について抵抗値Ｒを補正するために、補償関数で使用される。これによって、補償信号における自己発熱の影響が低減され、より正確な補償センサ出力が与えられる。
【００６４】
図６Ｂは、自動補正型の実施例におけるコントローラ１８のブロック図である。この実施例においては、マイクロプロセッサ１６は、さらに、図５Ａおよび図５Ｂに示した可変電圧源５４および電流計５５を備え、あるいは代替的に、図５Ｃに示した定電流源５８および電圧計５９を備える。マイクロプロセッサ１６は、直ぐ上に説明したように、Ｔavgセンサ１３を自動補正するように動作することができる。
【００６５】
図６Ａおよび図６Ｂに示す自動補正型の実施例は、特に、研究調査や他の高精度を要する用途に適当である。また、ＳＨＩの変化は、ワイヤコアの劣化や損傷を示すので、この自動補正型の実施例は、さらに、Ｔavgセンサ１３についての重要な診断ツールを提供する。この診断は、温度補償がプロセスの重要な役目をする、工場での流体処理、炭化水素の精製および貯蔵、バルク流体の輸送、および他の用途に広く適用することができる。
【００６６】
本発明について、好ましい実施例を参照して説明した。当業者であれば、本発明の趣旨および範囲を逸脱することなく、形態や詳細にいくつかの変更がなされ得ることを理解されるであろう。
【図１Ａ】
0005826491.tif 000002
【図１Ｂ】
0005826491.tif 000003
【図２】
0005826491.tif 000004
【図３Ａ】
0005826491.tif 000005
【図３Ｂ】
0005826491.tif 000006
【図４Ａ】
0005826491.tif 000007
【図４Ｂ】
0005826491.tif 000008
【図４Ｃ】
0005826491.tif 000009
【図４Ｄ】
0005826491.tif 000010
【図５Ａ】
0005826491.tif 000011
【図５Ｂ】
0005826491.tif 000012
【図５Ｃ】
0005826491.tif 000013
【図６Ａ】
0005826491.tif 000014
【図６Ｂ】
0005826491.tif 000015