(57)【要約】プロセス温度を測定するためのサーモウェルアセンブリは、近位端（７０）及び遠位端（７２）を有する細長いサーモウェルを含む。穴（７４）は、プロセス流体内に延在するように構成された前記サーモウェルアセンブルに伴う前記２つの端の間に延在する。赤外線センサ（２４）は、前記遠位端（７０）から前記サーモウェル（２０）の前記穴（７４）を貫通して赤外線放射を検出し、応答可能にセンサ出力（２６）を提供する。前記穴の壁（７６）からの赤外線センサ（２４）によって受けられた赤外線放射は減少させられ、及び／又は前記穴の前記遠位端（７０）から受けた放射は増加される構成が、提供される。
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【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アセンブリであって、
近位端及び遠位端並びにその間に延在している１の穴を有し、且つプロセス流体内に延在するように構成された細長いサーモウェルと、
前記サーモウェルの前記穴を通して前記遠位端からの赤外線放射を検出し、それに応答して前記プロセスの温度に関連する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、
を備え、そして
ここで、前記穴の側壁からの前記センサによって受信される赤外線放射が低減される、
上記サーモウェルアセンブリ。
【請求項２】
前記穴の前記側壁からの前記センサによって受け取られる赤外線放射を低減するように、前記サーモウェルの前記穴内に放射遮蔽体を含む、請求項１に記載のサーモウェルアセンブリ。
【請求項３】
前記放射遮蔽体は、前記サーモウェルの前記穴の前記側壁の少なくとも一部分に施与された低放射率被覆部を含む、請求項２に記載のサーモウェルアセンブリ。
【請求項４】
放射放出を減少させるように前記サーモウェルの前記穴の前記側壁が研磨されている、請求項１に記載のサーモウェルアセンブリ。
【請求項５】
前記放射遮蔽体は、前記細長いサーモウェルの穴を貫通して延在する薄壁管を含み、それにより、前記サーモウェルの前記穴の前記側壁から前記赤外線センサによって受信される赤外線放射を減少させる、請求項２に記載のサーモウェルアセンブリ。
【請求項６】
前記放射遮蔽体が、前記赤外線センサに近接して配置された赤外線ビームガイドを備える、請求項２に記載のサーモウェルアセンブリ。
【請求項７】
前記赤外線ビームガイドが、低放射率材料から製造される、請求項６に記載のサーモウェルアセンブリ。
【請求項８】
前記細長いサーモウェルの遠位端からの、前記赤外線センサによって受信される赤外線放射を集束させるように構成された赤外線レンズを含む、請求項１に記載のサーモウェルアセンブリ。
【請求項９】
前記細長いサーモウェルの前記遠位端部からの、前記赤外線センサによって受信される赤外線放射を集束させるように構成された赤外線ビームガイドを含む、請求項１に記載のサーモウェルアセンブリ。
【請求項１０】
前記赤外線センサは赤外線カメラを含む、請求項１に記載のサーモウェルアセンブリ。
【請求項１１】
前記赤外線センサからの前記センサ出力に基づいて前記プロセス流体の温度に関連する温度出力を提供するように構成されたＩ／Ｏ回路を含む、請求項１に記載のサーモウェルアセンブリ。
【請求項１２】
プロセス温度を測定するためのサーモウェルアセンブリであって、
近位端及び遠位端並びにその間に延在している１の穴を有し、且つプロセス流体内に延在するように構成された細長いサーモウェルと、
前記遠位端から前記サーモウェルの穴を通る赤外線放射を検出し、それに応答してプロセス温度に関連する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、及び
赤外線センサによって受信される赤外線放射の量を穴の側壁から減少させるように構成され、及び／又は細長いサーモウェルの遠位端から受け取られる放射の量を増加させるように構成された集束機構と、
を備えた、
上記サーモウェルアセンブリ。
【請求項１３】
前記集束機構が、前記サーモウェルの穴内に放射遮蔽体を含む、請求項１２に記載のサーモウェルアセンブリ。
【請求項１４】
前記放射遮蔽体は、前記サーモウェルの前記穴の前記側壁の少なくとも一部に施与された低放射率被覆部を含む、請求項１３に記載のサーモウェルアセンブリ。
【請求項１５】
前記サーモウェルの前記穴の前記側壁の少なくとも一部分が研磨されて放射放出を減少させている、請求項１２に記載のサーモウェルアセンブリ。
【請求項１６】
前記放射遮蔽体は、前記細長いサーモウェルの前記穴を通って延在する薄壁管を備え、それにより、前記サーモウェルの前記穴の側壁から前記赤外線センサによって受信される赤外線放射を低減する、請求項１３に記載のサーモウェルアセンブリ。
【請求項１７】
前記集束機構が、前記赤外線センサに近接して配置された赤外線ビームガイドを備えている、請求項１２に記載のサーモウェルアセンブリ。
【請求項１８】
前記赤外線ビームガイドが、低放射率材料から製造されている、請求項１７に記載のサーモウェルアセンブリ。
【請求項１９】
前記集束機構は、前記赤外線センサによって受信される赤外線放射を前記細長いサーモウェルの遠位端から集束させるように構成された赤外線レンズを含む、請求項１２に記載のサーモウェルアセンブリ。
【請求項２０】
前記赤外線センサは赤外線カメラを含む、請求項１２に記載のサーモウェルアセンブリ。
【請求項２１】
前記赤外線センサからの前記センサ出力に基づいて前記プロセス流体の温度に関連する温度出力を提供するように構成されたＩ／Ｏ回路を含む、請求項１２に記載のサーモウェルアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度センサに使用されるタイプのサーモウェルに関する。より詳細には本発明は、そのようなサーモウェルにおける温度を測定するための赤外線センサの使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
産業プロセスのセンサおよび送信機は、導管を通って流れる又は容器内に含まれる流体の様々な特性を感知するために用いられる。送信機は、差圧、ライン圧、温度、ｐＨなどのプロセスパラメータを感知する。
【０００３】
温度センサの１つのタイプは、サーモウェルとして知られた金属又はセラミックのシースによって通常は保護されている熱電対又は抵抗に基づく温度検出器を用いる。センサは、送信機内の電子回路に接続され、この電子回路はセンサ信号を読み取り且つそれを温度読取値に変換する。送信機は、該読取値を遠隔受信側、例えば制御、監視、及び／又は、安全システムに送信する。温度値は、様々なタイプの信号及び媒体を介して送信されうる。これは、アナログ標準値、例えば４〜２０ｍＡに変換されうるか、又はデジタルプロトコル、例えばHART（登録商標）、Fieldbus、Profibus、DeviceNet、Modbus、Ethernetなどを用いて変換されうる。伝送媒体は、有線、光ファイバ、赤外線またはＲＦ（無線周波数）を介しうる。
【０００４】
赤外線（ＩＲ）センサは、温度の感知についても知られている。
【発明の概要】
【０００５】
プロセス温度を測定するためのサーモウェルアセンブリは、近位端及び遠位端を有する細長いサーモウェルを含む。穴は、プロセス流体内に延在するように構成されたサーモウェルアセンブリを伴い２つの端部の間に延在する。赤外線センサは、遠位端からサーモウェルの穴を通って赤外線を検出し、それに応答してセンサ出力を提供する。穴の壁から赤外線センサによって受信される赤外線が減らされ、又は穴の遠位端から受け取る放射線が増加する構成が提供される。
【０００６】
この概要及び要約は、以下の詳細な説明でさらに説明される概念の選択を簡略化した形で紹介するために提供される。概要及び要約は、主張された主題の重要な特徴又は必須の特徴を特定することを意図されるものではなく、主張される主題の範囲を決定する助けとして使用されることも意図されていない。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】プロセス容器に結合されたサーモウェルアセンブリを含み且つプロセス制御室と通信する温度送信機を示す斜視図である。
【図２】図１のサーモウェルアセンブリの正面図である。
【図３】図２のサーモウェルから赤外線放射を受ける赤外線センサを示す温度センサ、及びプロセス温度への出力を提供する関連回路を示す概略図である。
【図４】赤外線センサの距離に対するスポットサイズを示す図である。
【図５】図２のサーモウェルの側面断面図であり、図４に示されたスポットサイズによる温度測定に導入された誤差の原因を示している。
【図６】サーモウェルの穴の内壁上のコーティングを含むサーモウェルの側面断面図である。
【図７】サーモウェルの穴を通って延在する管を示すサーモウェルの側面断面図である。
【図８】赤外線センサに近接する導波管又は集束機構を示すサーモウェルの近位端の側面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図１は、プロセス制御システム１０を示す簡略図であり、このシステムは、２以上の有線ケーブル、光ファイバケーブル、又は無線リンクでありうる伝送ループ１６を用いて接続された送信器（又はセンサ）１２及び制御室装置１４を含む。本実施態様において、送信機１２は温度を測定する。送信機１２は、プロセス配管１８上に取り付けられたサーモウェルアセンブリ２０を含み、配管１８内のプロセス流体の測定温度を表すループ１６上の出力を提供する。送信機１２は、温度送信機であってもよく、センサハウジング内に配置されてもよく、制御室装置１４と直接的に又は別の送信機を介して通信する検知装置であってもよい。
【０００９】
送信機１２は、温度情報をアナログ及び／又はデジタル形式で制御室装置１４に送信する。例えば、センサ／送信機１２は、ループ１６に流れるループ電流を４〜２０ミリアンペアの間に制御することによって、測定された温度を表すアナログ信号を送信しうる。さらに、送信機１２は、測定された温度、測定された２次のプロセスパラメータ、又は診断データに関するデジタル情報を制御室１４に送信しうる。ループ１６によるデジタル情報の送信は、例えば、高速アドレス可能リモートトランスデューサ（HART（登録商標））プロトコルを用いて送信しうる。代わりに、温度情報、並びに２次測定値及び診断情報は、送信機１２によってすべてのデジタルプロトコル、例えば、Foundation Fieldbus、Profibus、Modbusなど、を用いて制御室１４へ送信されうる。さらに、このループは、様々な無線通信技術、例えば、IEC 62591に従ったWireless HART（登録商標）通信プロトコル、が用いられうる。標準的なイーサネット（Ethernet）（登録商標）、光ファイバ接続、又は他の通信チャネルも使用されうる。１つの構成において、ループ１６はまた、送信器１２へ一部又は全部の電力を供給するためにも使用される。送信器１２は、プロセス温度を測定するためにサーモウェルシステムを提供する。
【００１０】
図２は、図１に示された送信機１２に結合されたサーモウェル２０の正面透視図である。サーモウェル２０は、フランジ２２上に搭載され、プロセス配管１８内に延在し、その遠位端がシール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、複合材、及びこれらの組み合わせを含む任意の適切な材料で形成されうる。
【００１１】
図２に示されたように、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、サーモウェル２０の遠位端からの放射を受け取るように向けられている。配線２６は、ＩＲセンサ２４をＩＲ電子回路２５へ結合するために用いられる。
【００１２】
プランクの法則によれば、サーモウェル２０を通過する穴の内壁は、壁の温度に関連する放射を放出する。赤外線センサ２４は、プランクの法則に従って放出された放射を感知し、それに応答してセンサ出力を提供するように配設される。センサ出力は、サーモウェル２０の温度と相関させられることができ、プロセス配管１８内に搬送されるプロセス流体の温度の間接的な測定値を提供しうる。赤外線センサ２４は、サーモウェル２０の穴に沿ってセンサに焦点を合わせるように構成される光学系を含みうる。
【００１３】
図３は、１実施例の構成による送信機１２のＩＲ電子回路２５を示す簡略ブロック図である。図４に示されたように、赤外線センサ２４の出力は、増幅器４８に供給され、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又は他のコントローラは、デジタル化された信号を受信し、メモリ５４に記憶された命令に従って動作する。通信機能は、プロセス制御ループ１６を介して通信するために用いられるＩ／Ｏ回路５６によって提供される。電源５８は、送信機１２の回路に電力を供給するために設けられている。電源５８は、内部電源、例えば電池でありえ、そしてプロセス制御ループ１６を介して受信される電力を含む外部電源によって供給されうる。
【００１４】
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された信号を受信する。マイクロプロセッサ５２は、このデジタル化された信号をプランクの法則に従ってプロセス流体の温度と相関させうる。温度関連情報は、Ｉ／Ｏ回路５６を用いてプロセス制御ループ１６に送信される。
【００１５】
上で議論したように、赤外線センサ２４は、サーモウェル２０の遠位端からの赤外線を受け取るように配設されている。図４は、サーモウェル２０内の赤外線放射の放射パターンを示す図である。図４に示されたように、赤外線センサ２４は、サーモウェル２０の近位端７０に配置される。サーモウェルの遠位端７２からの赤外線は、近位端７０でセンサ２４によって受け取られる。しかし、センサ２４は、或る点源からの放射を受け取らないだけである。その代わりに、それは、図４のスポット７４Ａ及び７４Ｂにより示されたスポット又は領域から放射を受け取る。スポットは、センサ２４と整列された円錐の断面である。図４に示されたように、スポットサイズは、センサ２４からより離れた距離で増加する。これは、赤外線センサ２４によって受信されるべきサーモウェル２０の壁からの幾らかの赤外線放射を許容する。サーモウェル２０の壁からの幾らかの放射が、赤外線センサ２４によって受けられることを可能にする。サーモウェル２０の壁からの放射は、プロセス流体の温度の正確な指示でないかもしれないし、それによってプロセス温度測定へ誤差を導入するかもしれない。
【００１６】
図５は、サーモウェル２０をより詳細に示す図である。図５に示されたように、サーモウェル２０は、近位端７０と遠位端７２との間にそれを貫通して延在する細長い穴７４を含む。この穴７４は、サーモウェル２０の壁７６によって取り囲まれている。図５に示されたように、サーモウェル２０は、赤外線センサ２４を支持するマウント７８によって受け取られるようねじ切りされうる。同様に、サーモウェル２０は、フランジ２２を通って配管１８を処理するようにサーモウェル２０を取り付けるのに使用することができるネジ山８０を含む。
【００１７】
図５はまた、円錐形の陰影を付けられた領域８４を示し、それは、近位端７０から遠位端７２までピトー管２０の長さに沿って投影された図４のスポットサイズを示す。図５に示されたように、陰影を付けられた領域８４は、熱壁２０の穴７４の壁７６を越えて延在している。この陰影を付けられた領域は、遠位端７２から受け取った放射の量に対する壁７６から受ける放射の相対量の指示である。これは、温度測定における誤差を導入する可能性がある。典型的には、サーモウェル２０の近位端７０に最も近い壁７６の部分が、近位端７０と遠位端７２との間の温度差に起因して、温度測定における誤差により大きく寄与する。様々な態様において、穴の遠位端から受けた赤外線放射の量を増加させ、且つ穴７４の壁７６からのセンサ２４による赤外線放射の量を減らす１技術が提供される。
【００１８】
様々な技術が、穴７４の壁７６から（特に近位端７０から）センサ２４によって受け取られた放射の量を低減するために採用されうる。例えば、図６は、薄いコーティング９０が穴７４の内壁７６に担持されている構成を示すサーモウェル２０の断面図である。コーティング９０は、穴７４の壁７６に塗布されるかあるいは別に接着される低放射率材料のものである。例示的な低放射率コーティングは、クロムメッキのような鏡面仕上げに近い材料が含む。鋳込み成形は、壁７６の全部又は一部分だけを被覆しうる。
穴７４の壁７６からの赤外線放射の放出を減らす別の例示的技術は、壁７６の表面を磨くか又は滑らかにすることである。これは壁７６の表面面積を減らし、
それによって、壁７６から放射される赤外線放射の量を減らす。図７は、薄壁管９２が穴７４内に受け入れられ、それにより側壁７６を覆っている関連する構成を示す。管９２は、低放射率材料で形成することができ、又は研磨された又はメッキの管であってもよい。中空のサファイア管がまた、センサ２４に到達する壁７６から放出される赤外線放射の量を低減するように採用されうる。管９２は、放射遮蔽体として作用し、壁７６からの赤外線放射がセンサ２４に到達するのを阻止する。図８は、サーモウェル２０の遠位端７０の断面図であり、赤外線遮蔽体又はビームガイド１００がセンサ２４に近接して設けられているところの関連の例示的実施態様を示している。遮蔽体１００は、図７に示された管９２と同一の材料で作られうる。遮蔽体１００は、サーモウェル２０の遠位端７２からの放射をセンサ１２に集束させる集束機構として動作することができる。例えば、遮蔽体１００がＩＲ放射を反射する材料でできている場合、それは必要に応じて放射の焦点を合わせるための鏡のように使用されうる。
【００１９】
上述された概念は、集束機構の様々な例であり、それは、サーモウェル２０の遠位端７２から受ける放射の量を増加させるように、及び／又は穴の側壁７６から受ける放射の量を低減するように動作する。集束機構は、絶対値を増すように動作してもよいし、壁７６に対して遠位端７２から受け取った放射の相対的増加を与えてもよい。別の例示的な集束機構は、センサ２４をサーモウェル２０の遠位端７２の方へ集束させる熱レンズ又は別の光学ベースの技術を含んでいる。例えば、５００ｍｍの距離で６ｍｍスポットサイズ未満のような小さな距離対スポットサイズ比を有する微調整された光学部品である。集束機構を提供する別の構成例は、センサ２４を実装するために赤外線カメラを使用することである。そのような構成において、遠位端７２に合焦された赤外線カメラのピクセルは、温度測定のために用いられ得、一方、壁７６からの赤外線放射を受け取るこれらピクセルは無視されうるか又は所望のように重み付けされうる。
【００２０】
本発明は好ましい実施態様を参照して説明されたが、当業者は、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、形態及び詳細に変更を加えることができることを認識するであろう。
【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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【国際調査報告】
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