(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロセス温度を測定するためのサーモウェルシステムであって、
プロセス流体の中に延びるように構成された近位端及び遠位端を有するサーモウェルであって、前記近位端と前記遠位端との間に温度差が生じているサーモウェルと、
サーモウェルの内側ボアに沿って前記遠位端に焦点を合わせられた赤外線センサであって、前記サーモウェルの前記遠位端からの赤外線放射を検出して、応答的にセンサ出力を提供するように構成された赤外線センサと、
前記サーモウェルが中心軸から離れるように移動し、内側ボアが赤外線センサの視界に入ることによって、前記センサ出力に生じる揺れであって、前記センサ出力における揺れに応じて、前記サーモウェルの振動を検出するように構成された前記赤外線センサに結合された振動検出器回路機構と、を含み、
前記振動検出器回路機構が、前記センサ出力における前記揺れに応じて診断を行う、
サーモウェルシステム。
【請求項２】
前記振動検出器回路機構が、前記センサ出力に基づいて、前記プロセス温度を測定するようにさらに構成される、請求項１に記載のサーモウェルシステム。
【請求項３】
前記振動検出器回路機構が、前記センサ出力における前記揺れの振幅に応じて、診断を行うようにさらに構成される、請求項１に記載のサーモウェルシステム。
【請求項４】
前記振動検出器回路機構が、前記センサ出力における前記揺れの周波数に応じて、診断を行うようにさらに構成される、請求項１に記載のサーモウェルシステム。
【請求項５】
前記振動検出器回路機構が、前記センサ出力における前記揺れの継続時間に応じて、診断を行うようにさらに構成される、請求項１に記載のサーモウェルシステム。
【請求項６】
振動検出器が、前記センサ出力における揺れに応じて、プロセス流体の移動を特定するようにさらに構成される、請求項１に記載のサーモウェルシステム。
【請求項７】
前記サーモウェルの検出された振動に関する出力を提供するように構成されたＩ／Ｏ回路機構を含む、請求項１に記載のサーモウェルシステム。
【請求項８】
前記プロセス流体の温度を提供するように構成されたＩ／Ｏ回路機構を含む、請求項１に記載のサーモウェルシステム。
【請求項９】
前記赤外線センサが、光ファイバケーブルを通して前記サーモウェルに光学的に結合される、請求項１に記載のサーモウェルシステム。
【請求項１０】
前記サーモウェルに取り付けられて、前記プロセス温度を検知するように構成された温度センサを含む、請求項１に記載のサーモウェルシステム。
【請求項１１】
前記振動検出器回路機構が、マイクロプロセッサによって、メモリに記憶されたプログラミング命令に従って実施される、請求項１に記載のサーモウェルシステム。
【請求項１２】
プロセス温度を測定するために用いられるタイプのサーモウェルにおける振動を検出する方法であって、
プロセス流体の中に延びるように構成された近位端及び遠位端を有するサーモウェルであって、前記近位端と前記遠位端との間に温度差が生じているサーモウェルを置くことと、
サーモウェルの内側ボアに沿って前記遠位端に焦点を合わせられた赤外線センサを配置して、前記サーモウェルの遠位端からの赤外線放射を検出して、応答的にセンサ出力を提供することと、
前記サーモウェルが中心軸から離れるように移動し、内側ボアが赤外線センサの視界に入ることによって、前記センサ出力に生じる揺れであって、前記センサ出力における揺れに応じて、前記サーモウェルの振動を特定することと、
前記センサ出力における前記揺れに応じて診断を行うことと、
を含む方法。
【請求項１３】
前記センサ出力に基づいて、前記プロセス温度を測定することをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記センサ出力における前記揺れの振幅に応じて、診断を行うことを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記センサ出力における前記揺れの周波数に応じて、診断を行うことを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記センサ出力における前記揺れの継続時間に応じて、診断を行うことを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
前記センサ出力における揺れに応じて、プロセス流体の移動を検出することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
前記サーモウェルの検出された振動に関する出力を提供することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１９】
前記プロセス流体の温度を提供することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項２０】
前記サーモウェルに取り付けられて、前記プロセス温度を検知するように構成された温度センサを含む、請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工業用プロセス制御監視システムで用いられる温度センサで用いられるタイプのサーモウェルに関する。より具体的には、本発明は、そのようなサーモウェルの振動の測定に関する。
【背景技術】
【０００２】
工業用プロセスセンサ及びトランスミッタは、導管を通って流れるか、または容器内部に収容された流体のさまざまな特性を検知するために用いられる。トランスミッタは、プロセスパラメータ、たとえば差圧、ライン圧力、温度、及びｐＨを検知する。
【０００３】
プロセス用途での温度センサ、たとえば熱電対、抵抗温度検出器または赤外線センサは、通常はサーモウェルとして既知の金属またはセラミックのシースによって保護されている。センサ電気リードは、何らかの分離材を通して互いから、及び金属シース及び金属パーツから分離される。センサ、センサ電気リード、センサシース、分離材、及び設置取り付け具で構成されるアセンブリは、センサアセンブリと呼ばれる。
【０００４】
センサリードは、センサ信号を読み取って温度読み取り値に変換する電子回路に接続される。この電子回路は、制御、監視または安全システムの入力電子カードの中に、またはトランスミッタの中に存在することができる。トランスミッタは、通常は温度センサに比較的近接して設置される。
【０００５】
トランスミッタは、センサ信号を温度測定値に変換し、信号を遠隔した受信者、たとえば制御、監視及び／または安全システムに送信する。温度値は、異なるタイプの信号及び媒体を通して送信されることができる。これは、４〜２０ｍＡ等のアナログ標準値に、またはＨＡＲＴ（登録商標）、フィールドバス、プロフィバス、ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ、Ｍｏｄｂｕｓ、イーサネット（登録商標）等のデジタルプロトコルを通して変換されることができる。送信媒体は、電線、光ファイバ、赤外線またはＲＦを介することができる。
【０００６】
工業用プロセスで用いられる温度センサには、通常は一次封止、たとえばサーモウェルが装着されている。サーモウェルは、温度センサに付加的な保護を提供するために用いられる。サーモウェルは、プロセス圧力、浸食及び腐食から温度センサを保護する、閉端した金属またはセラミック管である。これらはまた、プロセスを停止することなく、センサの設置及び取り外しを可能にする。サーモウェルは、概ね細長い管であるため、サーモウェルが振動して、さらには壊れるかまたは亀裂が入る可能性がある。このことは、プロセス流体を放出させる場合があり、いずれかの破損を修理するために、工業用プロセスの予定されていない停止を必要とする場合がある。
【発明の概要】
【０００７】
プロセス温度を測定するためのサーモウェルシステムは、プロセス流体の中に延びるように構成された近位端及び遠位端を有する細長いサーモウェルを含む。赤外線センサは、サーモウェルの遠位端からの赤外線放射を検出して、応答的にセンサ出力を提供するように構成される。振動検出器回路機構は、赤外線センサに結合されて、センサ出力における揺れに応じて、サーモウェルの振動を検出するように構成される。
【０００８】
本概要及び要約は、詳細な説明において以下にさらに説明される概念の選択を、簡略化された形式で紹介するために提供される。本概要及び要約は、特許請求された主題の主要な特徴または不可欠な特徴を特定することが意図されておらず、特許請求された主題の範囲を判定する補助として用いられることも意図されていない。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】プロセス流体の温度を検知するように構成された温度トランスミッタを含むプロセス制御または監視システムの簡略化された図である。
【図２】図１の温度トランスミッタとともに用いられるサーモウェルの正面平面図である。
【図３】赤外線センサからの出力における揺れを示す、時間対振幅のグラフである。
【図４】図１の温度トランスミッタで用いられるトランスミッタ回路機構の簡略化されたブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
プロセス温度を測定するためのサーモウェルシステムが提供され、プロセス流体の中に延びるように構成されたサーモウェルを含む。赤外線センサは、サーモウェルの遠位端からの赤外線放射を検出するように構成される。検出された放射は、サーモウェルの振動または他の移動と相関することができる。
【００１１】
図１は、プロセス制御システム１０を図示する図であり、センサ／トランスミッタ１２と、２つ以上のワイヤケーブル、または光ファイバケーブル、またはワイヤレスリンクであることができる伝送ループ１６を経由して接続された制御室機器１４とを含む。本実施形態では、センサ／トランスミッタ１２は、温度を測定する。センサ／トランスミッタ１２は、プロセス配管１８上に取り付けられ、ループ１６を経由して、配管１８内のプロセス流体の測定された温度を表す出力を提供する。センサ／トランスミッタ１２は、温度トランスミッタであってもよく、センサハウジング内部に位置するトランスミッタ電子機器を含む検知装置であってもよく、または直接または別個のトランスミッタを通して制御室機器１４と通信する検知装置であってもよい。
【００１２】
センサ／トランスミッタ１２は、制御室機器１４に、温度情報をアナログあるいはデジタル形式で送信する。たとえば、センサ／トランスミッタ１２は、測定された温度を表すアナログ信号を、ループ１６を４〜２０ミリアンペアの間で流れるループ電流を制御する事によって送信する。加えて、センサ／トランスミッタ１２は、測定された温度に、測定された二次プロセスパラメータに、または診断データに関するデジタル情報を制御室１４に送信し得る。ループ１６を経由したデジタル情報の送信は、たとえば、Ｈｉｇｈｗａｙ  Ａｄｄｒｅｓｓａｂｌｅ  Ｒｅｍｏｔｅ  Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ（ＨＡＲＴ（登録商標））プロトコルを用いて送信されることができる。代替的に、センサ／トランスミッタ１２によって、すべてのデジタルプロトコル、たとえばＦｏｕｎｄａｔｉｏｎフィールドバス、プロフィバス、Ｍｏｄｂｕｓ等を用いて、制御室１４に、温度情報に加えて二次測定及び診断情報を送信することができる。代替的に、ループは、さまざまなワイヤレス技法を使用してもよい。代替的に、ループは、さまざまなワイヤレス技法、ＩＥＣ６２５９１に準拠したワイヤレスＨＡＲＴ（登録商標）通信プロトコルを用いてもよい。標準的なイーサネット（登録商標）、光ファイバ接続、または他の通信チャネルをさらに用いてもよい。センサ／トランスミッタ１２は、プロセス温度を測定するためのサーモウェルシステムを提供する。
【００１３】
図２は、図１に示されたトランスミッタ１２に結合されたサーモウェル２０の正面斜視図である。サーモウェル２０は、フランジ２２上に取り付けられて、プロセス配管１８の中に延び、その遠位端で封止された中空管を含む。サーモウェル２０は、金属、プラスチック、セラミックス、複合材料、及びそれらの組み合わせを含む、任意の適切な材料で形成され得る。
【００１４】
管１８で運ばれるプロセス流体が移動してサーモウェル２０を通過すると、渦を引き起こすことができる。渦がどのようにして発生するか、及びこれらがどのようにしてサーモウェル２０に影響するかには、数多くの要因がある。渦が十分に大きい場合、サーモウェル２０は、渦の中で動いて、共振周波数に近づき得る。このことは、サーモウェル２０に永久的な破損を生じさせる場合がある。破損は、クラックまたは永久的な曲げに加えて、フランジ２２からの完全な離脱の形式である場合がある。この振動を測定することが望ましい。しかしながら、数多くの要因を考慮しなければならない。何らかの振動検出器が監視されるべきであり、情報がデジタル化されるかそうでなければ測定電子機器で使用可能にされる。たとえば、振動情報は、マイクロコントローラによって監視され得る。一例の構成では、温度を測定するために用いられる一次測定アナログ・デジタル変換器は、振動を監視するためにも用いられる。さらに、いくつかの構成では、トランスミッタ電子機器は、サーモウェルから遠隔して取り付けられる。加えて、サーモウェルによって感じ取られる振動は、単一方向でなくてもよく、そのため、多軸振動検出器を必要とする。
【００１５】
図２に図示されるように、赤外線（ＩＲ）スポットセンサ２４は、サーモウェル２０の近位端に取り付けられて、サーモウェル２０の遠位端からの放射を受けるように向けられる。配線２６を用いて、ＩＲ電子機器（図２に図示せず）にＩＲセンサ２４を結合する。
【００１６】
プランクの放射則によれば、サーモウェル２０を通るボアの内壁は、壁の温度に関連する放射を発する。赤外線センサ２４は、プランクの放射則に従って発された放射を検知し、応答的にセンサ出力を提供するように配置される。センサ出力は、サーモウェル２０の温度と相関させて、プロセス配管１８内で運ばれるプロセス流体の温度の直接測定を提供することができる。赤外線センサ２４は、サーモウェル２０のボアに沿ってセンサの焦点を合わせるように構成された光学部品を含んでもよい。
【００１７】
図２には、温度勾配ΔＴが図示され、サーモウェル２０の遠位端と近位端との間の温度差である。この温度差によって、熱勾配が、サーモウェル２０を通るボアの内面全体にわたって誘発される。サーモウェルが中心軸から離れるように移動するにしたがって、この内側ボアの側壁のいくらかが視界に入るように、ＩＲセンサ２４の焦点を合わせた場合、温度測定に誤差が導入される。この誤差は、サーモウェル２０の移動を判断するために用いられることができる。
【００１８】
プロセス流体における渦は、サーモウェル２０の遠位端の、近位端に対する揺れ移動を生じさせる。移動が増大するにしたがって、赤外線センサ２４の焦点がより一層ボア壁に合わせられ、その焦点は、温度測定においてより大きな誤差を引き起こし、これはサーモウェルの共振周波数において最大となる。サーモウェル２０が揺れると、センサ２４は、サーモウェルの遠位先端からの赤外線放射を周期的に受ける。図２には、この揺れが図示され、図３には、結果として得られた赤外線センサ２４からの出力が図示される。図３に図示されるように、実プロセス変数（温度）によって、ベースラインが設けられる。検知された赤外線放射は、サーモウェル２０が最大振動レベルに達するまで振動するにしたがって低減する。振動に対する赤外線センサの感度は、赤外線センサ２４の焦点に加えて、サーモウェル２０を通るボアの長さ及び直径の関数である。さらに、サーモウェルの内側ボアは、振動に対する赤外線センサの感度を変化させるような材料でコーティングされるか、またはそのような形状にされてもよい。
【００１９】
図３に図示された赤外線センサ２４の出力における頂点及び谷部は、評価されて、温度を判断し、それに加えて振動診断を提供することができる。
【００２０】
図４は、一例の構成による、トランスミッタ１２の電気回路機構の簡略化されたブロック図である。図４に図示されるように、赤外線センサ２４の出力は、増幅器４８に提供されて、アナログ・デジタル変換器５０によってデジタル化される。マイクロプロセッサ５２または他のコントローラは、デジタル化信号を受信し、メモリ５４に記憶された命令に従って動作する。通信能力は、プロセス制御ループ１６を経由して通信するために用いられるＩ／Ｏ回路機構５６によって提供される。電源５８は、トランスミッタ１２の回路機構に電力供給するために設けられる。電源は、バッテリ等の内部電源であってもよく、プロセス制御ループ１６を経由して受信された電力を含む、外部電源によって提供されてもよい。
【００２１】
動作中、マイクロプロセッサ５２は、センサ２４からの出力を表すデジタル化信号を受信する。マイクロプロセッサ５２は、プランクの放射則に従って、このデジタル化信号をプロセス流体の温度と相関させることができる。温度関連情報は、Ｉ／Ｏ回路機構５６を用いて、プロセス制御ループ１６上で送信される。
【００２２】
上述のように、マイクロプロセッサ５２はまた、センサ２４からの出力における変動に基づいて、振動診断を行うことが可能である。たとえば、図３に図示されたもののような変動は、プロセス流体内の渦に起因するサーモウェル２０の振動と相関させることができる。マイクロプロセッサ５２は、振動の継続時間、周波数及び／または振幅を、メモリに記憶されたさまざまな閾値と比較し、それによって診断を行うことができる。たとえば、サーモウェル２０が、ある一定の振幅で所与の継続時間にわたって振動する場合、これは、サーモウェルの応力疲労限度が、故障点に近づいていることを示している場合がある。このように、診断を用いて、サーモウェルがその最終的な故障の前に交換されるべきであることを示すことができる。また、診断を用いて、サーモウェル２０の残りの寿命を予測することもできる。これによって、プラントオペレータは、プロセス動作を停止して、サーモウェル２０が完全に故障するまで待つのではなく、予定された保守を行うことを可能にする。
【００２３】
図４は、任意の増幅器７２を通してアナログ・デジタル変換器５０に結合された任意の第２のセンサ７０をさらに図示する。これは、たとえばサーモウェル２０内に置かれたＲＴＤまたは熱電対等の別個の温度センサとして用いられることができる。
【００２４】
先に述べたように、同じ赤外線センサ２４を用いて、診断に加えて、プロセス変数（たとえば温度）測定の両方を行うことができる。判断は、同時になされてもよい。しかしながら、判断はまた、代替的にタイムスライス中に、または所望のようになされてもよい。診断判断は、メモリ５４に記憶されたプログラミング命令に従って、ソフトウェアソリューションを用いて実施されることができる。サーモウェルは、任意には、振動に対するその感度を高めるように構成されてもよい。これは、薄肉の壁を有するサーモウェル２０の一部等の物理的確認を通してもよく、または特定の材料に基づいて選択されてもよい。サーモウェル２０によって検知された振動は、サーモウェルを通過するプロセス流体に起因するかもしれず、それに加えてプロセス内の他のコンポーネント、たとえばプロセスコンポーネントの近傍から受けた振動に起因するかもしれない。たとえば、モータは、プロセス内の振動を誘発することがあり、プローブ２０はそれに応答する。本明細書で用いられる場合、用語「振動検出回路機構」は、装置のメモリ、たとえばメモリ５４に記憶されたソフトウェアに基づいて実施され、適切なコントローラ、たとえばマイクロプロセッサ５２を用いて実施されるインプリメンテーションを含む。しかしながら、振動検出回路機構は、専用のアナログコンポーネント、専用のデジタルコンポーネント、共有コンポーネント、またはそれらの組み合わせを含む任意の適切な手法を用いて実施されてもよい。また、振動検出回路機構は、赤外線センサ２４からの出力に基づいて、プロセス温度を測定するために用いられる同じ回路機構であってもよい。デジタルまたはアナログフィルタを含むフィルタを用いて、ある一定の周波数の振動に対する振動検出回路の感度を高めることに加えて、ある一定の周波数に対する感度を所望のように低くし得る。
【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、本発明の本質及び範囲から逸脱することなく、形式及び詳細に変更がなされてもよいことが認識されよう。サーモウェルの状況に関する診断を提供することに加えて、検知された振動情報をさらに用いて、プロセスの動作に関する情報を得ることができる。たとえば、振動の検出を用いて、プロセス配管１８内で運ばれるプロセス流体が移動し始めたことを判断することができる。また、振動情報は、プロセス流体の流量と相関させてもよい。非常に短い継続時間の突然の大きな振動は、プロセス流体内の何かがサーモウェル２０に衝突したことを示し得る。任意の適切な赤外線センサを用いてもよい。しかしながら、センサは、好ましくは所望の範囲内の、たとえば１００Ｈｚ〜１ｋＨｚの間のサーモウェルの振動を検出することが可能であるべきである。典型的な赤外線センサは、そのような振動を検出するために十分に高速であるナノ秒程度の応答時間を有する。赤外線センサは、光ファイバ束または他の合焦手法を用いて、サーモウェルから離れて間隔を置いて配置されてもよい。赤外線センサが特に説明されているが、そのような構成は、赤外線撮像検出器をさらに含む。図４に示された例の構成では、マイクロプロセッサは、振動検出器回路機構に加えて、温度測定回路機構を提供する。しかしながら、他の構成もまた使用されてもよい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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