JP2011158476A - プロセスパラメータを検出する方法及び組立体 - Google Patents

Abstract

【課題】センサ上への直接的な水及び／又は氷の衝突、迎え角、並びに時間応答の影響を低減する、費用効果が高く信頼性のある手段を提供する。
【解決手段】センサ組立体１００が、基部１０２と、本体を通過する流体流の方向に前縁１１４と後縁１１６との間に延在している本体を含む台座１０８、１１０の第１の端部１１８が基部に結合されており、第２の端部１２０が第１の端部の反対側にある。台座と、台座から延在しているエーロフォイル１２２の前縁が台座の前縁と位置合わせされ、エーロフォイルは第２の端部に沿って流体流の方向に延在している。エーロフォイルと、第１の間隙１３８によりエーロフォイルと離間されている、第２の端部から延在しているセンサ素子１３６と、センサ素子への流体流入口１４４を画定している第２の間隙１４２によりエーロフォイルと離間されているセンサ素子を少なくとも部分的に取り囲んでいるシールド１４０とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明の分野は、全般的にプロセスパラメータ検出デバイスに関し、さらに具体的には、プロセスパラメータを検出する組立体及び方法に関する。

少なくともいくつかの既知のセンサは、それらの環境内でのそれらの位置及び向きのために着氷を起こしやすい。これらのセンサのいくつかは、例えば電気加熱システム又は空気加熱システム（ｐｎｅｕｍａｔｉｃ ｈｅａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ）などの加熱システムを使用して、着氷を防止する。一般に、着氷は、センサを取り巻く流体中の水分含有量、周囲温度、及びセンサの形状の組合せに起因する。

加熱システムは、センサに複雑さ、重量、及びコストを付加し、センサの性能に悪影響を及ぼす可能性があり、センサの出力に誤差を導入する。誤差は、センサの時間応答とリカバリエラーに、また最新のセンサが迎え角ゼロの気流条件で最適性能を得るように設計されているため、センサを通過する流動に対するセンサの迎え角に起因するエラーに関連する可能性がある。

米国特許第５４８４１２２号公報

一実施形態では、センサ組立体が、基部と、本体を通過する流体流の方向で前縁と後縁との間に延在している本体を具備する台座であって、台座の第１の端部が基部に結合されており、第２の端部が第１の端部の反対側にある、台座とを含む。センサ組立体はまた、台座から延在しており、エーロフォイルの前縁が台座の前縁と位置合わせされたエーロフォイルであって、第２の端部に沿って流体流の方向に延在しているエーロフォイルを含む。センサ組立体は、第１の間隙によりエーロフォイルと離間されている、第２の端部から延在しているセンサ素子と、センサ素子を少なくとも部分的に取り囲んでいるシールドであって、センサ素子への流体流入口を画定している第２の間隙によりエーロフォイルと離間されている、シールドとをさらに含む。

別の実施形態では、プロセスパラメータを検出する方法が、流体流中にプロセスセンサ（ｐｒｏｃｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ）組立体を配置するステップであって、センサ組立体は、流体流の方向に連続的に配置されている凸面と隣接する凹面とを含む、ステップと、流体流の一部が凹面により減速された後に流体流の一部をサンプリングするステップと、流体流の直接的衝突から保護されているセンサ素子へ、流体流の一部を送るステップとを含む。

さらに別の実施形態では、プロセス検出システムが、側壁と、側壁に結合されている台座と、台座から延在しているエーロフォイルであって、実質的に流体輸送装置を通過する流体流の方向に延在している長手方向軸を中心に略左右対称であり、流体流の方向に連続的に配置されている凸面及び凹面を含む、エーロフォイルとを含む流体輸送装置を含む。プロセス検出システムはまた、エーロフォイルの下流に台座から延在しているセンサ素子と、センサ素子を少なくとも部分的に取り囲んでいるシールドであって、センサ流路によりセンサ素子と離間されており、センサ素子への流体流入口を画定している第２の間隙によりエーロフォイルと離間されているシールドとを含む。

図１〜６は、本明細書に記載されている方法及び組立体の例示的実施形態を示す。

本発明の例示的実施形態によるプロセスセンサ組立体の斜視図である。 本発明の例示的実施形態によるプロセスセンサ組立体の側面立面図である。 上流を見ているプロセスセンサ組立体の斜視図である。 本発明の例示的実施形態によるプロセスセンサ組立体を通過する流体流の線を示す図である。 本発明の例示的実施形態によるプロセスセンサ組立体を通過する流体流の線を示す図である。 本発明の例示的実施形態によるプロセスセンサ組立体を通過する例示的迎え角の流体流の線を示す図である。

以下の詳細な記載は、限定としてではなく例として、本発明の実施形態を説明する。本発明は、産業上の用途、商業的用途及び住宅用途において、プロセスパラメータを検出する分析的実施形態及び方法的実施形態に広く適用されることが考えられる。

本明細書で使用されている、単数で語「ａ」又は「ａｎ」で始まる要素又はステップは、そのような除外が明示されていない限り、複数の要素又は複数のステップを除外しないと理解されるべきである。さらに、本発明の「一実施形態」への言及が、やはり記載された特徴を組み込んでいる付加的な実施形態の存在を除外すると解釈されないものとする。

図１は、本発明の例示的実施形態によるプロセスセンサ組立体１００の斜視図である。本例示的実施形態では、プロセスセンサ組立体１００は、フランジ１０４に結合されている基部１０２を含む。基部１０２は、フランジ１０４から離れて高さ１０６だけ延在している。高さ１０６は、限定されないが管及びガスタービンエンジンケーシングなどの流体輸送部材の側壁の厚さに実質的に一致するように選択される。

プロセスセンサ組立体１００は、略三角形の横断面を有する台座１０８を含む。台座１０８は、流体流の方向１１７に刃形前縁１１４と各後縁１１６との間で末広がりになっている略左右対称の側壁１１２を有する本体１１０を含む。台座１０８の第１の端部１１８が、基部１０２に結合されており、第２の端部１２０が、第１の端部１１８の反対側にある。

プロセスセンサ組立体１００は、台座１０８から延在しているエーロフォイル１２２を含む。エーロフォイル１２２の前縁１２４が、台座１０８の前縁１１４と略位置合わせされる。エーロフォイル１２２は、凹後面１２８により離間されている各後縁１２６まで方向１１７に端部１２０に沿って延在している。種々の実施形態では、エーロフォイル１２２は、中心線１３０を中心に左右対称である。エーロフォイル１２２は、凹面部分１３４の上流に凸面部分１３２を含む。凸面部分１３２は、前縁１２４から凹面部分１３４まで延在しており、凹面部分１３４は、凸面部分１３２から後縁１２６まで延在している。凸面部分１３２及び凹面部分１３４の外形が、凸面部分１３２及び凹面部分１３４上を流動する流体中に連行されている液体を、センサ素子１３６への流体流入口１４４から離して送るように構成されている。台座１０８は、第１の端部１１８と第２の端部１２０との間に高さ１３３を含み、エーロフォイル１２２を流体流の境界層を越えて流体流中に延在させるように、高さ１２１が選択される。

センサ素子１３６が、第２の端部１２０から延在しており、第１の間隙１３８によりエーロフォイル１２２と離間されている。シールド１４０が、センサ素子１３６を少なくとも部分的に取り囲んでいる。シールド１４０は、センサ素子１３６への流体流入口１４４を画定している第２の間隙１４２により後縁１２６と離間されている。本例示的実施形態では、シールド１４０は、別個のエーロフォイルで構成されている。種々の実施形態では、シールド１４０は、本明細書に記載されている機能を実施するように構成されている単一の部材で構成されている。シールド１４０とセンサ素子１３６との間に間隙が維持されており、それがセンサ流路１４６を画定している。台座１１０は、刃形前縁１１４と幅１５０を有する後面１４８とを含む。エーロフォイル１２２は、全般的に幅１５０より広い、前縁１２４と後縁１２６との間の変動幅を含む。

フランジ１０４は、基部１０２に結合されている。フランジ１０４は、限定されないが管及びガスタービンエンジンケーシングなどの流体輸送部材の壁（図示せず）に結合するように構成されている。

図２は、本発明の例示的実施形態によるプロセスセンサ組立体１００の側面立面図である。本例示的実施形態では、プロセスセンサ組立体１００は、開口部２０２によりガスタービンエンジンケーシング２００に結合可能である。高さ１０６が、ケーシング２００の厚さ２０４に実質的に一致している。台座１１０は、エーロフォイル１２２を流体流２０６の境界層２０８を越えて流体流２０６中に延在させるように選択されている高さ１３３を含む。電気接続ボックス２１０が、センサ素子１３６と、限定されないが例えばプロセッサ２１４を含む制御システム２１２との間の、電線用導管の接続を容易にする。

組立て中、プロセスセンサ組立体１００は、エンジンケーシング２００又は他の流体輸送部材を貫通して開口部２０２内へ挿入される。台座１１０は、エーロフォイル１２２及びセンサ素子１３６を、エーロフォイル１２２及びセンサ素子１３６がエンジンケーシング２００を通る流体流の境界層を越えるのに十分な距離だけ、エンジンケーシング２００から離して配置することに基づいて選択される。

動作中、プロセスセンサ組立体１００を通過する流体流は、水、氷、及び／又は粒子状物質を含有している可能性がある。台座１１０に衝突する水及び氷は、刀状前縁１１４及び狭い楔形状の台座１１０により急速に流される。エーロフォイル１２２を通過する、連行されている氷及び水は、凸面１３２により加速され、次に、凹面１３４により減速される。凹面１３４の後縁における流体流は、実質的に失速する。しかし、水及び氷は、その質量のためにすぐには減速せず、シールド１４０を通過し続け、結果として、流体流入口１４４に進入することができない。失速した流体流は、その遅い速度のため、近接面１２８により生成される低い圧力体積によって助けられて、流体流入口１４４に進入することができる。流体は、次いで、センサ流路１４６により方向付けられ、そこで、センサ素子１３６は、流体流に関連する１つ又は複数のプロセスパラメータを決定するように流体流と相互作用することができる。流体流は、排出口３００（図３に示されている）を通ってプロセスセンサ組立体１００を出る。

図３は、上流を見ているプロセスセンサ組立体１００の斜視図である。本例示的実施形態では、排出口３００が、流体流入口１４４及びセンサ流路１４６と流体連結している。

図４は、本発明の例示的実施形態によるプロセスセンサ組立体１００を通過する流体流の線を示す図である。本例示的実施形態では、大流体流（ｂｕｌｋ ｆｌｏｗ ｏｆ ｆｌｕｉｄ）４００が、プロセスセンサ組立体１００を通過して流動している。大流体流４００は、エーロフォイル１２２を通過して流動しており、このエーロフォイルは、凸面部１３２（図４に示されていない）に沿って大流体流４００の一部（図４に示されていない）を加速させ、次に、凹面部１３４に沿って大流体流４００を減速させ、その結果、近接した流体流入口１４４の所で大流体流４００の一部４０２が実質的に失速する。大流４００中に存在する可能性がある水滴及び水粒子の速力が、一部４０２と同じくらい急速に、これらの粒子が減速するのを実質的に阻止するため、これらの粒子は、大流４００中に連行されたままであり、流体流入口１４４に進入しない。したがって、一部４０２は、氷を形成する可能性がある水滴又は粒子状物質を実質的に含んでいないか、又は一部４０２は、凹後面１２８の所に形成されている低圧領域４０４により、流体流入口１４４内に引き込まれるようにさらに促される。一部４０２は、センサ流路１４６を通して送られ、そこでは、センサ素子１３６により検出されたパラメータが決定される。本例示的実施形態では、センサ素子１３６は温度センサである。種々の実施形態では、センサ素子１３６は温度センサ以外であり、限定されないが例えば、圧力センサ、差圧センサ、流量センサ、ガス組成センサ、及び流体化学センサである。

図５は、本発明の例示的実施形態によるプロセスセンサ組立体１００を通過する流体流の線を示す図である。本例示的実施形態では、大流体流４００が、迎え角ゼロでプロセスセンサ組立体１００を通過して流動する。面１３２及び面１３４が、センサ素子１３６を大流４００からの水又は粒子との衝突又は接触に晒すことなく、一部４０２を流体流入口１４４及びセンサ流路１４６を通して送る。

図６は、本発明の例示的実施形態によるプロセスセンサ組立体１００を通過する流体流の線を示す図である。本例示的実施形態では、大流体流４００が、正の迎え角６００でプロセスセンサ組立体１００を通過して流動する。面１３２及び面１３４が、センサ素子を大流４００からの水又は粒子との衝突又は接触に晒すことなく、流体流入口１４４及びセンサ流路１４６を通して一部４０２を送る。本例示的実施形態では、迎え角６００は約５°に等しい。種々の他の実施形態では、迎え角６００は、約５°より大きい角度に等しい。

本明細書で使用されている用語「プロセッサ」は、中央処理装置、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、縮小命令セット回路（ＲＩＳＣ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、論理回路、及び本明細書に記載されている機能を実行することができる任意の他の回路又はプロセッサを指す。

本明細書で使用されている用語「ソフトウェア」及び「ファームウェア」は互換性があり、ＲＡＭメモリ、ＲＯＭメモリ、ＥＰＲＯＭメモリ、ＥＥＰＲＯＭメモリ、及び不揮発性ＲＡＭ（ＮＶＲＡＭ）メモリを含む、プロセッサ２１４による実行のためのメモリに格納されている任意のコンピュータプログラムを含む。上記メモリタイプは例示的に過ぎず、したがって、コンピュータプログラムの格納に使用可能なメモリタイプに関して限定していない。

上記明細事項に基づいて理解される通り、本開示の前述の実施形態は、コンピュータプログラミング、或いはコンピュータのソフトウェア、ファームウェア、ハードウェア又はそれらの任意の組合せ若しくはそれらのサブセットを含むエンジニアリング技術を使用して実施されてもよく、技術的効果は、着氷及び水の衝突が検出パラメータの値に誤差をもたらす可能性がある位置で非加熱センサ（ｕｎｈｅａｔｅｄ ｓｅｎｓｏｒ）を使用してプロセスパラメータを検出するためのものである。コンピュータ可読コード手段を有する任意のそのような得られたプログラムが、１つ又は複数のコンピュータ可読媒体内で具体化されるか又は提供されて、それにより、コンピュータプログラム製品すなわち本開示の検討された実施形態による製品を作製してもよい。コンピュータ可読媒体は、限定されないが例えば、固定（ハード）ドライブ、ディスケット、光ディスク、磁気テープ、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）などの半導体メモリ、及び／或いはインターネット又は他の通信ネットワーク若しくは通信リンクなどの任意の送受信媒体であってもよい。コンピュータコードを含む製品は、１つの媒体から直接のコードを実行することにより、１つの媒体から別の媒体へコードをコピーすることにより、又はネットワーク上でコードを送信することにより、作製され且つ／又は使用されてもよい。

プロセスパラメータを検出する方法及び組立体の前述の実施形態は、センサ上への直接的な水及び／又は氷の衝突、迎え角、並びに時間応答の影響を低減する、費用効果が高く信頼性のある手段を提供する。より具体的には、本明細書に記載されている方法及び組立体は、流体流からの水及び／又は氷の分離を促進する。さらに、前述の方法及び組立体は、プロセスセンサ組立体内の部品を動かすことなく流体流の低速度部分のサンプリングを促進する。結果として、本明細書に記載されている方法及び組立体は、費用効果が高く信頼性のある方法でプロセスのパラメータを測定することを容易にする。

本記述は、例を使用して、最良の形態を含めて本発明を開示しており、また、任意のデバイス又はシステムの作製及び使用並びに任意の援用されている方法の実践を含めて、いずれの当業者も本発明を実践することができるようにしている。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲により定められており、当業者に思い付く他の例を含み得る。そのような他の例は、それらが特許請求の範囲の文言と異ならない構造要素を有する場合、又はそれらが特許請求の範囲の文言と僅かにしか異ならない等価の構造要素を含む場合、特許請求の範囲の範囲内にあるものとする。

１００ プロセスセンサ組立体
１０２ 基部
１０４ フランジ
１０６、１２１、１３３ 高さ
１０８、１１０ 台座
１１２ 側壁
１１４ 刃形前縁
１１６ 後縁
１１７ 流体流の方向
１１８ 第１の端部
１２０ 第２の端部
１２２ エーロフォイル
１２４ 前縁
１２６ 後縁
１２８ 凹後面
１３０ 中心線
１３２ 凸面部
１３４ 凹面部
１３６ センサ素子
１３８ 第１の間隙
１４０ シールド
１４２ 第２の間隙
１４４ 流体流入口
１４６ センサ流路
１４８ 後面
１５０ 幅
２００ エンジンケーシング
２０２ 開口部
２０４ 厚さ
２０６ 流体流
２０８ 境界層
２１０ 電気接続ボックス
２１２ 制御システム
２１４ プロセッサ
３００ 排出口
４００ 大流体流
４０２ （大流体流４００の）一部
４０４ 低圧領域
６００ 正の迎え角

Claims (10)

1. 基部（１０２）と、
   本体を通過する流体流の方向で前縁（１１４）と後縁（１１６）との間に延在している前記本体を含む台座（１０８、１１０）であって、前記台座の第１の端部（１１８）が前記基部に結合されており、第２の端部（１２０）が前記第１の端部の反対側にある、台座（１０８、１１０）と、
   前記台座から延在しており、前記エーロフォイルの前縁が前記台座の前記前縁と位置合わせされたエーロフォイル（１２２）であって、前記第２の端部に沿って流体流の方向に延在しているエーロフォイル（１２２）と、
   第１の間隙（１３８）により前記エーロフォイルと離間されている、前記第２の端部から延在しているセンサ素子（１３６）と、
   前記センサ素子を少なくとも部分的に取り囲んでいるシールド（１４０）であって、前記センサ素子への流体流入口（１４４）を画定している第２の間隙（１４２）により前記エーロフォイルと離間されている、シールド（１４０）と
   を含む、センサ組立体（１００）。
2. センサ流路（１４６）を画定している、前記シールド（１４０）と前記センサとの間の間隙（１３８、１４２）をさらに含む、請求項１記載のセンサ組立体（１００）。
3. 前記台座（１０８、１１０）は、前記前縁（１１４）と第１の後縁（１１６）との間に延在している第１の側壁（１１２）を含み、前記第１の側壁の外形が、前記第１の側壁上を流動している流体内に連行されている液体を、前記センサ素子（１３６）への前記流体流入口から離して送るように構成されている、請求項１記載のセンサ組立体（１００）。
4. 前記エーロフォイル（１２２）は、前記前縁（１１４）と第１の凹側壁部分との間に延在している第１の凸側壁部分を含み、前記第１の凹側壁部分は、前記エーロフォイルの前記第１の凸側壁部分と第１の後縁（１２６）との間に延在している、請求項１記載のセンサ組立体（１００）。
5. 前記エーロフォイル（１２２）は、流体流の方向に、前記エーロフォイルの中心線（１３０）を中心に左右対称である、請求項１記載のセンサ組立体（１００）。
6. 前記台座（１０８、１１０）は、前記前縁（１１４）と第２の後縁（１１６）との間に延在しており且つ前記第１の側壁と対向している第２の側壁を含み、前記第２の側壁の外形が、前記第２の側壁上を流動している流体内に連行されている液体を、前記センサ素子（１３６）へ前記流体流入口（１４４）から離して送るように構成されている、請求項３記載のセンサ組立体（１００）。
7. 前記エーロフォイル（１２２）は、前記エーロフォイルの前記前縁（１２４）と第２の後縁（１２６）との間に延在している凸面（１３２）を含む、請求項１記載のセンサ組立体（１００）。
8. 前記台座（１０８、１１０）及び前記エーロフォイル（１２２）はそれぞれ、流動方向に直交する幅（１５０）を含み、前記台座の前記幅は、前記エーロフォイルの前記幅より狭い、請求項１記載のセンサ組立体（１００）。
9. 前記基部（１０２）に結合されているフランジ（１０４）をさらに含み、前記フランジは、流体輸送部材の壁に結合するように構成されている、請求項１記載のセンサ組立体（１００）。
10. 前記台座（１０８、１１０）は、刃形前縁（１１４）と、前記台座の前記前縁から前記後縁（１１６）の各々へ延在している末広がりの側壁（１１２）とを含む、請求項１記載のセンサ組立体（１００）。

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