JP2015520363A - センサハウジング用制振ダンパ - Google Patents

Abstract

センサプローブは、管部材、センサ素子、及び制振用質量体を備える。管部材は、流体通路内を流動するプロセス流体中に設けるためのものであり、流体通路に結合される第１端部と、プロセス流体中に挿入される第２端部とを備える。センサ素子は管部材に接している。制振用質量体は、管部材に組み付けられており、プロセス流体中に挿入されているときに、管部材の振動を低減するように構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、流体処理と、圧力、温度、液位、及び流量といったプロセス変数の計測に用いるセンサとに関し、具体的には、流動する流体の温度を検出するために用いるサーモウェルに関する。但し、本発明は、プロセス流体中に挿入するように構成されたハウジングの中にセンサが配設されるあらゆるプローブに適用することが可能である。

一般的に、サーモウェルは、パイプなどの流体通路の壁を貫通して延設される管部材を備えており、管部材の外面がプロセス流体との間で熱伝導を行うようになっている。熱電対または抵抗温度検知器（ＲＴＤ）といった温度センサが、管部材の内面との間で熱伝導を行うことによりプロセス流体の温度を計測する。管部材を通る配線によって温度センサが伝送器電子回路に接続され、この伝送器電子回路は、適切な配線またはワイヤレスネットワークを介し、プロセス制御ネットワークと電気的に接続されるのが一般的である。従って、温度センサから得た温度データを処理し、プロセス制御室のワークステーションに伝達することが可能である。

流体通路内では、センサ用の管部材が、プロセス流体の流動によって生じた力を受けることになる。即ち、管部材は、流体励起振動を含む様々なストレス要因に晒される。一般的に流体励起振動は、管部材を共振振動させるような周期的に変化する力を発生させる渦の放出やその他の乱流の影響によって生じる。これらの力は、管部材を前後に揺さぶり、即ち振動させ、機械的ストレスを増大させると共に、管部材及びこれに組み付けられるセンサの双方の耐用寿命を短縮させることになる。流体励起振動は、固有共鳴振動数の近傍で発生すると、繰り返しの変形作用などの疲労によって壊滅的な故障に致る可能性のある強制共振振動が発生し、特に問題となる。高い流動抵抗もしくは大きな静圧勾配といった別のストレス要因が伴う場合、または管部材構造の腐食、疲労、もしくは浸食が伴う場合は、比較的小さな振動であっても問題となり得る。

大きな振動負荷を生じるような共振周波数を回避して特定のサーモウェルを使用することが可能な流量に関し、ＡＳＭＥ（米国機械学会）のＰＴＣ１９．３に示されるようなガイドラインが設けられている。これまで、管部材の振動に関わる問題については、管部材の強度を増すことによって対処してきた。このようなアプローチにより、厚みを増した管部材の壁や特殊な構造が必要となり、コストの増大、装置のサイズ拡大や重量増、感度の低下、及び応答時間の増大が生じる。一方、センサ用の管部材は、管部材を覆う境界層を剥離させて、渦の干渉を抑制する乱流生成構造を設けるなどして、（流体励起振動の原因となる）渦の放出を抑制するように構成されていた。例えば、ガーネット（Garnett）らに与えられ、ローズマウント社（Rosemount Inc.）を譲受人とする米国特許を示す特許文献１には、螺旋状の流動調整部材の使用が開示されている。

米国特許第７８３６７８０号明細書

しかしながら、そのようなアプローチを振動低減のために適用しても、管部材内のセンサは、長時間にわたる使用後にセンサに損傷が生じる可能性のあるような大きさの負荷を依然として受ける。従って、サーモウェルや平均ピトーセンサに用いられるような管部材に対し、更なる負荷、特に振動によって受ける負荷の低減が求められている。

本発明は、流体通路内を流動する流体の特性を検出するためのセンサプローブを対象とするものである。センサプローブは、管部材、センサ素子、及び制振用質量体を備える。管部材は、流体通路内を流動するプロセス流体中に設けるためのものであり、流体通路に結合される第１端部と、プロセス流体中に挿入される第２端部とを有する。センサ素子は管部材に接している。制振用質量体は、管部材に組み付けられており、管部材がプロセス流体中に挿入されているときに、管部材の振動を低減するように構成されている。

温度センサと、プロセス流体の流体通路内に挿入されるサーモウェルに組み付けられた制振用質量体とを備えたプロセス伝送器の概略断面図である。 内蔵片持ち梁により構成された制振用質量体を示す、図１のサーモウェルの縦方向断面図である。 外付け振り子体により構成された制振用質量体を示す、図１のサーモウェルの縦方向断面図である。 様々な形状を有してスクイズフィルムダンピング効果を付加的に得るように構成された制振用質量体の一例を示す、図３のサーモウェルの横方向断面図である。 様々な形状を有してスクイズフィルムダンピング効果を付加的に得るように構成された制振用質量体の一例を示す、図３のサーモウェルの横方向断面図である。 様々な形状を有してスクイズフィルムダンピング効果を付加的に得るように構成された制振用質量体の一例を示す、図３のサーモウェルの横方向断面図である。 センサハウジングが、制振質量体を組み付け可能な平均ピトーセンサを備えている、本発明のもう１つの実施形態を示す部分的な斜視図である。

図１は、本発明の一実施形態として、プロセス伝送器１２を示す概略断面図であり、プロセス伝送器１２は、温度センサ１４と、流体通路であるプロセス流体管２０内に挿入されるサーモウェル１８に組み付けられた制振用質量体１６とを備えている。また、プロセス伝送器１２は、伝送器ハウジング２２、ハウジング孔２４、伝送器回路２６、温度センサ用端子２８、及び通路３２を有したサーモウェル用取付部材３０を備える。サーモウェル１８は、管部材３４、サーモウェルキャビティ３６、第１端部３８、第２端部４０、及びプロセス用接続部４２を備えている。温度センサ１４は、保護管４４、温度センサ先端部４６、及び温度センサ用リード線４８を備える。温度センサ１４及び管部材３４を含むサーモウェル１８は、流動するプロセス流体中に挿入されるプローブを構成する。

伝送器ハウジング２２は、伝送器回路２６を含め、プロセス伝送器１２の内部構成部品を収容する。伝送器回路２６は、温度センサ用リード線４８を介して温度センサ１４と電気的に接続される温度センサ用端子２８を備える。本発明の様々な実施形態として、温度センサ１４は、公知の任意の感温素子で構成することができる。例えば、熱電対または抵抗温度検知素子（ＲＴＤ）で温度センサ１４を構成してもよい。また、本発明の別の実施形態として、圧力センサ、液位センサ、或いは流量センサといった、別の形式のセンサを管部材３４内に挿入するようにしてもよい。温度センサ１４は、細長い筒状の保護管４４内に収容されている。温度センサ用リード線４８には、伝送器回路２６における温度センサ用端子２８の複数の接続点のそれぞれに対するさまざまな電気的接続を行う複数の電線が含まれる。既に知られているように、伝送器回路２６は、有線式制御ループまたはワイヤレスネットワークのいずれかを介し、温度センサ１４の出力を監視可能な制御室に接続することが可能となっている。

本実施形態によれば、サーモウェル用取付部材３０の一端が伝送器ハウジング２２のハウジング孔２４内に挿入され、サーモウェル用取付部材３０の他端がサーモウェル１８内に挿入される。サーモウェル１８の第１端部３８が、サーモウェル用取付部材３０を受容し、第１端部３８と第２端部４０との間に位置するプロセス接続部４２を介し、サーモウェル１８がプロセス流体管２０に結合される。第２端部４０は、孔５０からプロセス流体管２０内に挿入される。サーモウェル用取付部材３０の通路３２は、伝送器ハウジング２２の内部を、サーモウェル１８内のサーモウェルキャビティ３６に連通する。温度センサ１４の保護管４４は、伝送器ハウジング２２の内部から、通路３２を通って、サーモウェルキャビティ３６の中まで延設される。保護管４４は、サーモウェル１８に接している必要はないが、様々な実施形態として、図３に示すように、保護管４４がサーモウェル１８に接するようにして、両者間での熱伝導を増大させるようにしてもよい。サーモウェル１８は、第２端部４０がプロセス流体ＲＦの乱流経路中に位置するように、プロセス流体管２０内の流路５２内に挿入される。これに代わる実施形態として、プロセス流体が流動することにより管部材３４の振動が生じるような任意の流体通路で、プロセス流体管２０を構成することが可能である。

図示した実施形態では、プロセス流体ＲＦが、速度ベクトルＶで示すように、図１の紙面に直交する軸線方向にプロセス流体管２０内を流動する。サーモウェル１８は、矢印Ｘで示すように、軸線方向に直交する横断方向Ｘに延設される。サーモウェル１８は、これら軸線方向または横断方向に対して斜めとなる方向に向けて、プロセス流体管２０内に延設されるようにしてもよい。サーモウェル１８は、横断方向の軸を中心とした回転については特に方向性がなく、任意の回転位置で孔５０に取り付けることができる。いずれにしても、プロセス流体ＲＦの速度ベクトルＶは、管部材３４の振動を発生させる上で十分な大きさとなる。

図示した実施形態において、サーモウェル１８は、第１端部３８が開口すると共に第２端部４０が閉塞したサーモウェルキャビティ３６を有する細長い管部材３４を備える。管部材３４は、温度センサ１４または別の形式のセンサを収容するセンサハウジングを構成する。管部材３４は、圧力センサ、液位センサ、または流量センサの要求に適合するような別の検出用開口を備えていてもよい。例えば、管部材３４は、圧力センサがプロセス流体から直接圧力を検出することができるようシールされた孔を備えていてもよい。図１の実施形態において、管部材３４は、全長にわたって径が一定の円形断面を有した円筒からなる。即ち、管部材３４は、横断方向の軸周りに回転させた場合に、管部材３４の外面と保護管４４の外面との間の距離が、管部材３４の全長にわたって一定となる。管部材３４は、保護管４４に沿って延びる横断方向の軸からの距離が一定でないような別の形状の円柱体で構成してもよい。図２及び図３に示すように、サーモウェル１８の管部材３４は、第１端部３８に近いほど大きな径を有し、第２端部４０に近いほど小さな径を有するようなテーパ形状としてもよい。また、別の実施形態として、管部材３４は、テーパ形状とせずに、横断方向で段階的に径が変化するようにしてもよい。更に別の実施形態として、管部材３４は、直線で囲まれた形状の断面、楕円形状断面、及びＴ字状断面といった円形ではない断面形状を有していてもよいが、断面形状はこれらに限定されるものではない。

サーモウェル１８のプロセス用接続部４２は、プロセス流体管２０に形成された孔５０に組み付けられる。図示した実施形態において、プロセス用接続部４２は、プロセス流体管２０の孔５０に形成されたネジ部に螺合するネジ部を備えているが、別の形式の機構を用いて、サーモウェルをプロセス流体管に固定するようにしてもよい。プロセス用接続部４２は、流路５２内からプロセス流体管２０の外部にプロセス流体が漏出しないように、産業プロセスを密封する。また、プロセス用接続部４２は、サーモウェル１８のプロセス側と非プロセス側との分離も行う。サーモウェル１８の非プロセス側には、サーモウェル１８の内部に延設されるサーモウェルキャビティ３６、並びに第１端部３８及びプロセス用接続部４２の外面など、プロセス流体から隔離されるサーモウェル１８の全ての部位が含まれる。サーモウェルキャビティ３６は、温度センサ先端部４６が第２端部４０に近接するようにして、温度センサ１４を挿入できるように大きさが定められる。温度センサ先端部４６とサーモウェル１８との間の熱伝導は、管部材３４に熱伝導流体を充填することで、または図３に示すように、温度センサ先端部４６がサーモウェル１８に接触するようにすることで、改善することができる。サーモウェル１８のプロセス側の部分は、プロセス流体管２０内を流動するプロセス流体、特に流路５２内にある第２端部４０の末端部分近傍を流動するプロセス流体に晒される。

サーモウェル１８のプロセス側におけるプロセス流体の軸線方向の流動により、サーモウェル１８に対して作用する様々な力が発生する。なお、軸線方向の流速は、スパン方向の位置ｘ（プロセス流体管２０の内壁から直交方向に計測した位置）の関数となり、平均流速Ｖは、プロセス流体が流動する構造体の全体で共通化される。これらの速度特性は、軸線方向や軸線方向に対して傾斜した方向への不均一な流れ場を含んだ乱流の特徴を示している。乱れた流れ場により、サーモウェル１８の振動を引き起こし得る２つの要因が生じる。第１は、乱流が、広範な周波数領域にわたって分散したエネルギを有していることである。第２に、サーモウェルの構造体と乱流との相互作用により、特定の周波数において干渉性のある流体現象が生じることである。

サーモウェルの延設範囲における様々な位置で境界層の剥離を発生させる手法を用いて渦の放出を抑制することにより、乱流による振動を低減するべく、多くの努力がなされてきた。これにより、渦の干渉が抑制され、乱流によってサーモウェルに加わる力が低減される。前述の特許文献１には、渦の放出を許容可能なレベルまで抑制するために、サーモウェルの形状や外面に対して行うことが可能な様々な修正が開示されている。

しかしながら、サーモウェル１８の振動を更に抑制し、管部材３４が影響を受けるような広範な周波数領域から生じうる共振周波数振動の可能性を排除するのが望ましい。例えば、渦の放出を抑制する対策をとった後であっても、プロセス流体中には、サーモウェルをその共振周波数において励起するのに十分なエネルギが残留する。乱流中のエネルギに起因した機械的共振の励起は、１９９５年ケンブリッジ大学出版局発行のユリエル・フリッシュ（Uriel Frisch）著「乱流・Ａ．Ｎ．コルモゴロフの遺産（Turbulence: The Legacy of A. N. Kolmogorov）」に述べられており、同書には共振の排除の難しさについても述べられている。本発明では、サーモウェル１８に制振質量体１６を設け、プロセス流体の乱流から受ける振動の力に対抗して、発生周波数領域におけるピーク振幅を低減する。具体的には、制振質量体１６のパラメータである質量、ばね定数、及び減衰係数を選択することにより、予測される周波数領域における振幅を低減することが可能である。汎用体本体についての、質量、ばね定数、及び減衰係数の相関関係については、１９５６年マグローヒル出版社発行のＪ．Ｐ．デン・ハートフ（J. P. Den Hartog）著「機械的振動（Mechanical Vibrations）」第４版に述べられており、同書には最適化されたパラメータの選択に関連付けられた振幅の低減についても述べられている。本発明では、これらの関係がサーモウェル１８及び制振質量体１６に適合されて適用され、選定された流れ場におけるサーモウェル１８の共振周波数振動が抑制される。

図２は、一実施形態として、内蔵片持ち梁５３により構成された制振用質量体１６を示す、図１のサーモウェル１８の縦方向断面図である。また、サーモウェル１８は、管部材３４、サーモウェルキャビティ３６、第１端部３８、第２端部４０、プロセス用接続部４２、及び流動調整部材５４を備える。内蔵片持ち梁５３は、プレート５６、中空円柱体５８、及び孔６０を備える。制振用質量体１６は、溶接点６２において、管部材３４に結合されている。

プロセス用接続部４２は、螺合などにより伝送器ハウジング２２（図１）に組み付けられる。また、プロセス用接続部４２は、プロセス用接続部４２内にある保護管４４の周囲に密着するＯリングなどのシールを備えていてもよい。こうして、サーモウェルキャビティ３６がプロセス流体から隔離される一方、管部材３４の外面は、プロセス流体の乱流に晒されることになる。温度センサ１４の保護管４４は、温度センサ先端部４６が、第２端部４０において制振用質量体１６のすぐそばに位置するように、伝送器ハウジング２２（図１）から管部材３４のサーモウェルキャビティ３６内に延設されている。前述したように、温度センサ先端部４６は、第２端部４０に接触するように構成されていてもよい。図示した実施形態において、管部材３４の第２端部４０は開口しており、この第２端部４０の開口を、プレート５６が密封している。

管部材３４及び保護管４４は、中心軸線ＣＡに沿って、伝送器ハウジング２２から概ね垂直に延設されている。中心軸線ＣＡは、プロセス流体の軸線方向の流動に対して直交する方向に延びる。図２に示す実施形態では、管部材３４の外周面６４が、第１端部３８から第２端部４０にかけて、次第に中心軸線ＣＡに近付いている。従って、管部材３４を形成する壁は、第２端部４０よりも第１端部３８の方が厚くなっている。但し、内周面６６は、中心軸線ＣＡと平行となるように、概ね垂直に延設されている。即ち、外周面６４は内周面６６に対して傾斜している。必要に応じ、前述したように、円柱状ハウジングなどといった、別の形状の管部材３４を用いて流動抵抗を低減し、渦の放出を抑制する効果を高めるようにしてもよい。一例として、流動調整部材５４を外周面６４に設けることにより、渦の放出を抑制する。図示した実施形態において、前述したガーネット（Garnett）らに与えられた特許に示されるように、流動調整部材５４は、外周面６４を取り巻く螺旋状のリブからなる。管部材３４は、流動調整部材を用いずに制振用質量体を使用するようにしてもよい。

本実施形態では、制振用質量体１６のプレート５６が第２端部４０を封止して、サーモウェルキャビティ３６をプロセス流体から隔離した状態に維持する。従って、図示した実施形態において、プレート５６は、管部材３４の外周面６４と同じ径を有している。中空円柱体５８は、縦長の環状体、即ち管からなり、保護管４４の周面を全周にわたって取り囲む側壁を有している。中空円柱体５８は、断面積Ａ₀で、例えばリング状などの円形、または例えば矩形状などの直線で囲まれた形状の断面を有していてもよい。中空円柱体５８は、保護管４４と同心状となるように、プレート５６からサーモウェルキャビティ３６内に延設されている。中空円柱体５８は、プレート５６に対して直角に、中心軸線ＣＡを中心として長さＬにわたって延設されている。但し、中空円柱体５８は、別の状態で延設されていてもよい。固定端６８はプレート５６に結合しており、自由端７０は規制を受けておらず、サーモウェルキャビティ３６内において距離ｙ₂の移動が可能となっている。従って、中空円柱体５８も内周面６６及び保護管４４に対して平行となっている。別の実施形態として、制振用質量体１６は、プレート５６から延設されて保護管４４を断続的に取り囲む１以上の片持ち梁で構成するようにしてもよい。例えば、中実で正方形の断面を有した４つの片持ち梁が、保護管４４の周囲を間隔をあけて取り囲むように、９０度毎に設けられるようにしてもよい。

プレート５６と中空円柱体５８とは、同一の材料から一体的に形成され、単一部材を構成するのが好ましい。別の実施形態として、これらプレート５６及び中空円柱体５８は、溶接または螺合といった、任意の適切な手段により結合される別部材として構成するようにしてもよい。制振用質量体１６は、溶接点６４を容易に形成することができるよう、管部材３４と同じ材料で形成してもよい。但し、別の実施形態では、制振用質量体１６が管部材３４とは異なる材料で形成される。一実施形態において、制振用質量体１６と管部材３４とは、ステンレス合金からなる。また、別の実施形態では、プレート５６と管部材３４との螺合を利用するなど、別の機械的手段により、制振用質量体１６が管部材３４に固定される。

サーモウェル１８がプロセス流体ＰＦ（図１）などによる乱流に晒される際、管部材３４は、プロセス流体の流速及び管部材３４の物理的特性に応じた特定の周波数及び振幅で振動する。管部材３４の振動は、周波数ωで振幅ａの振動となる。軽微な制振が、プロセス流体及び別の要素によってなされる。このような軽微な制振を伴うサーモウェル１８の振動は、２次微分方程式によって表される。サーモウェル１８は、下記式（１）に従って振動し、当該式（１）において、Ｍはサーモウェル１８の質量、Ｃはサーモウェル１８の減衰係数、Ｋはサーモウェル１８のばね定数、ｙ₁はサーモウェル１８のたわみ量、ｔは時間、Ｐ₀Ｓｉｎ（ωｔ）は、振動の振幅ａ及び周波数ωによって定まる励振力である。

サーモウェル１８は、それ自体が、１自由度を有した２次系（ばね定数Ｋ及び減衰係数Ｃ）として振る舞う。流動する流体中の片持ち梁によって自然に得られる軽微な制振は、０．１よりも大幅に小さい減衰係数Ｃに相当するものとなる。このような軽微な制振を伴い、共振周波数におけるサーモウェル１８の振動は、大幅に拡大され、機械的な故障の要因となる可能性のある繰り返しの応力サイクルを引き起こす。

本発明では、制振用質量体１６が、サーモウェル１８に組み合わされてサーモウェル１８の振動に抗することにより、ダンパとして作用する。本発明の制振用質量体１６は、大幅に高めた減衰係数を実現することにより、共振状態における撓みの最大振幅を低減することができる。例えば、サーモウェル１８の第２端部４０における振動は、梁である中空円柱体５８の固定端６８に同様の動きを発生させ、固定端６８の動きによって自由端７０に距離ｙ₂の変位が生じる。中空円柱体５８の弾性率Ｅ、慣性モーメントＩ、長さＬ、及び断面積Ａ₀といった特性値により、サーモウェル１８の振動に抗する制振体または吸収体となるような、特定の質量ｍ、ばね定数ｋ、及び減衰係数ｃを有した制振用質量体１６が定まる。制振用質量体１６及びサーモウェル１８は、下記式（２）及び式（３）に従って振動し、これら式中、力Ｐ₀Ｓｉｎ（ωｔ）は、振動の振幅ａ及び周波数ωによって定まる励振力である。

制振用質量体１６の付加により、２自由度を有した２次系（ばね定数Ｋ及びｋ、並びに減衰係数Ｃ及びｃ）となる。なお、式（２）及び（３）において、質量Ｍによって得られる制振効果は、簡素化のために減衰係数Ｃに関する式を省略できる程度に僅かなものである。既知の関係を用い、管部材３４の共振周波数に厳密に適合するように、内蔵片持ち梁５３などの制振用質量体１６の質量ｍ、長さＬ、断面積Ａ₀、慣性モーメントＩ、及び弾性率Ｅを選定する。このような選定により、内蔵片持ち梁５３は、正方向と負方向とに振動する力をサーモウェル１８に印加し、プロセス流体の流動によって与えられる振動を抑制する。このような機構の作用は、管部材３４の共振周波数における振幅を大幅に低減するものであり、変形応力の大きさが低減されて疲労破損に対する耐久性が向上する。

サーモウェル１８の制振を行う上で制振用質量体１６を更に補助するため、液体または気体といった流体を管部材３４に充填し、内蔵片持ち梁５３の減衰係数ｃを所望の値とするようにしてもよい。即ち、内蔵片持ち梁５３には、この内蔵片持ち梁５３が動いたときに、充填流体が通過して流動可能な孔６０が設けられる。充填流体中の内蔵片持ち梁５３の動きにより、内蔵片持ち梁５３の移動速度に比例した抑制力が生じ、減衰係数ｃが所望の値となる。図示するように、孔６０は、中空円筒部材５８の壁を貫通して径方向に延設されており、中心軸線ＣＡから見て様々な方向に指向されている。充填流体、並びに孔６０の数及び大きさは、所望の減衰係数ｃが得られるように選定することができる。抑制力は、孔のない内蔵片持ち梁５３においても、充填流体中で内蔵片持ち梁５３が動く際に作用しうる。既に知られているように、充填流体は、サーモウェル１８と温度センサ先端部４６との間の熱伝導を増大させるようなものを用いることも可能である。

図３は、もう１つの実施形態として、外付け振り子体７２により構成された制振用質量体１６を示す、図１のサーモウェル１８の縦方向断面図である。また、サーモウェル１８は、上述したような、管部材３４、サーモウェルキャビティ３６、第２端部４０、及び流動調整部材５４を備える。制振用質量体１６は、キャップ７４、ディスク７６、ロッド７８、及び孔８０を備える。キャップ７４は、溶接点８２において管部材３４に結合され、ロッド７８は、溶接点８４において管部材３４に結合されている。管部材３４とキャップ７４との間には、内部領域８６が形成されている。

図３の実施形態において、管部材３４は、第２端部４０が一体的に封止されている。即ち、管部材３４の外周面６４が端面８８につながっている。同様に、内周面６６は内面９０につながっている。このようにして、サーモウェルキャビティ３６は、管部材３４の残部と一体的な材料により、サーモウェル１８の外部から密封されている。

ロッド７８は、管部材３４と同じ材料で形成して、溶接点８４の形成を容易にするのが好ましい。同様に、キャップ７４は、管部材３４と同じ材料で形成して、溶接点８２の形成を容易にするのが好ましい。一実施形態では、キャップ７４及びロッド７８がステンレス合金で形成される。別の実施形態では、キャップ７４及びロッド７８が、管部材３４とは異なる材料で形成される。更に別の実施形態では、キャップ７４及びロッド７８が、螺合など、別の機械的手段によって管部材３４に固定される。例えば、ロッド７８を端面８８内に螺合させると共に、キャップ７４を外周面６４に螺合させるようにしてもよい。キャップ７４は、管部材３４の延長部を形成する。ディスク７６は、ロッド７８と同じ材料またはステンレス合金などといった、任意の適切な材料からなり、溶接、ろう付け、または機械的結合などの任意の適切な手段によってロッド７８に固定することができる。

図示した実施形態において、キャップ７４は、管部材３４の端面８８から軸線方向に下方に延設される。キャップ７４は、中空に加工されて内部領域８６を形成する円盤状の円筒体からなる。即ち、キャップ７４は、円環状の側壁によって取り囲まれた平坦な円形端壁を備えている。なお、キャップ７４は、ドーム状をなして流動抵抗を低減するなど、別の所望の目的を達成するような別の形状を有していもよい。図示した実施形態において、キャップ７４は、管部材３４の第２端部４０とほぼ同じ径を有している。なお、キャップ７４は、管部材３４の径より小径とするなど、別の大きさであってもよい。内部領域８６は、ディスク７６が振動によりキャップ７４内で移動する上で十分な空間が得られるような大きさとなっている。従って、キャップ７４は、ロッド７８及びディスク７６を収容すると共に、ディスク７６の変位を許容する上で十分な深さを有している。

ロッド７８は、管部材３４の第２端部４０から下方に向け、概ね温度センサ１４と同一軸線上に位置するように延設される。但し、ロッド７８は、これとは異なる配置としてもよい。一実施形態において、ロッド７８は、管部材３４の端面８８の中心に設けられる。ロッド７８は、均一の断面積を有し、全ての移動方向で均一の撓み量と減衰係数ｃとが得られるようになっている。図示した実施形態において、ロッド７８は、ディスク７６及び端面８８に結合するための平坦な端面を有した円柱体からなる。図示するように、ロッド７８の長さは、ロッド７８の径より長くすることにより、ばね定数ｋを低減すると共に、振り子効果が増すようにすることができる。但し、制振を行う上で十分な振り子効果をディスク７６において得るにあたり、ロッド７８の長さをロッド７８の径より長くしなくてもよい。図示した実施形態において、ディスク７６は、平坦な端面を有した円柱体からなる。ディスク７６の径をディスク７６の高さより大きくして、ロッド７８との結合位置を重心位置に近付けた状態で質量ｍが得られるようにすることにより、プロセス流体の流動における制振用質量体１６の占有度合いを低減している。

サーモウェル１８の振動により、ロッド７８及びディスク７６の変位が生じる。図２の実施形態と同様に、サーモウェル１８の振動を抑制するように外付け振り子体７２の特性を選定することにより、共振周波数における振動及び繰り返しの変形作用による疲労の蓄積を防止する。なお、外付け振り子体７２をより複雑な機構とし、所望の制振が行われるように、ロッド７８及びディスク７６の特性の双方を変更してもよい。例えば、ロッド７８の長さ及び径は、主にばね定数ｋに寄与し、ディスク７６の大きさは、主に外付け振り子体７２の質量ｍに寄与する。減衰係数ｃは、充填流体中を移動する外付け振り子体７２の速度に比例した抑制力によって定まる。

更に、ディスク７６は、内部領域８６内の充填流体を、付け振り子体７２のばね定数ｋ及び減衰係数ｃに対して寄与させる孔８０を備えているのが好ましい。孔８０は、様々な方向でディスク７６を貫通して延設され、様々な方向での制振を行う。例えば、図３においては、３つの孔がディスク７６を紙面に平行に貫通し、２つの孔がディスク７６を紙面に垂直に貫通している。これに類似して、曲がりくねった通路網が内部に形成された多孔質体でディスク７６を構成することもできる。一実施形態において、この多孔質体は金属焼結体からなる。図２の実施形態と同様に、充填流体内でディスク７６が動く際などに制振効果を得る上で、充填流体用の孔を設けなくてもよい。充填流体は、液体または気体とすることが可能であり、サーモウェル１８が晒される温度範囲の全域にわたって、流体の特性、とりわけ粘性を維持するものが選択される。

図４Ａ〜図４Ｃは、図３の制振用質量体１６の横方向断面図であって、様々な形状を有したディスク７６が、スクイズフィルムダンピング効果を付加的に得るように構成されている。図４Ａは多角形断面のディスク７６Ａを示し、図４Ｂは円形断面のディスク７６Ｂを示し、図４Ｃは星形断面のディスク７６Ｂを示している。スクイズフィルムダンピング効果は、２つの面が、流体を間に介在させた状態で互いに近接して配置されているときに生じる。２つの面が互いに近接して配置されることにより、間に介在する流体は、押しつぶされたり引っ張られたりして、これら２つの面の相対的な移動の速度を低下させる。スクイズフィルムダンピング効果は、間隙の大きさに対する表面積の比が大きい場合に大きなものとなる。本発明に適切なスクイズフィルムダンピング効果は、シリコーンオイルなどのダンピング液の場合に、約１ｍｍまでの間隙で得ることができる。但し、別のダンピング液の場合には、別の大きさの間隙とすることが可能である。

本発明に関しては、２つの面が、これら面の間に含まれる一定の体積の充填流体と同軸状に位置して、キャップ７４の内周面９２が外側同心面となり、ディスク７６の外周面９４が内側同心面となる。ディスク７６が振動してキャップ７４に接近する際、外周面９４は、動きに対向する内周面９２との間で、充填流体を押しつぶしたり引っ張ったりする。具体的には、図４Ａに示すように、ディスク７６Ａの外周面９４が、外面９６Ａ及び外面９６Ｂを含む八角形を形成している。外面９６Ａが内周面９２に近づく際には、キャップ７４とディスク７６との間の領域から流体が押し出される（押しつぶされる）一方、外面９６Ｂと内周面９２との間の領域内に流体が引き込まれる（引っ張られる）。押しつぶされる際には、流体の粘性により、内周面９２と外面９６Ａとの間の領域から流体が流出する速度が制限される。同様に、引っ張られる際には、内周面９２と外面９６Ｂとの間の領域内に流体が流入する速度が制限される。このような押しつぶしや引っ張りにより、振動を抑制する背圧が２つの面の間に生じる。振動の抑制は、面積の拡大によって更に効果的となる。多角形断面を構成するディスク７６Ａの外面や、星形断面を構成するディスク７６Ｃの外面のようにすることで、円形断面のディスク７６Ｂに比べ、より多くの流体を圧押しつぶしたり引っ張ったりすることができる。キャップ７４に対するディスク７６の回転位置とは方向的に関わりなく、任意の断面形状のディスク７６を用いることが可能である。例えば、図４Ａや図４Ｃのものより数の多いまたは少ない外面で形成される多角形断面または星形断面を適用することが可能である。また、スクイズフィルムダンピング効果は、図２の実施形態においても得ることが可能であり、この場合、中空円柱体５８は、距離ｙ₂が短くなるように、管部材３４の内周面６６に近接して配置される。

図５は、センサハウジングが、制振質量体を組み付け可能な平均ピトーセンサ１００を備えている、本発明のもう１つの実施形態を示す部分的な斜視図である。平均ピトーセンサ１００は、上部１０２、下部１０４、内部キャビティ１０６、仕切り１０８、第１開口１１０、第１チャンバ１１２、第２チャンバ１１４Ａ及び１１４Ｂ、第１平坦面１１６、並びに第２平坦面１１８Ａ及び１１８Ｂを備える。平均ピトーセンサ１００は、図１の伝送器ハウジング２２などの伝送器ハウジングに組み付けられる１区切りの縦長の管部を備えている。上部１０２は、ハウジング孔２４（図１）に平均ピトーセンサ１００が結合される伝送器ハウジング２２の方に向いており、下部１０４は、プロセス流体ＰＦ（図１）の方に向いている。伝送器ハウジング２２内に位置する平均ピトーセンサ１００の上端部には、伝送器回路２６（図１）と電気的に接続されると共に、第１チャンバ１１２、並びに第２チャンバ１１４Ａ及び１１４Ｂに流体的に連通するようにして、差圧センサが組み付けられている。例えば、平均ピトーセンサ１００は、エマーソン（Emerson、登録商標）３０５ＩＳ Ｕｌｔｒａ産業用プロセス伝送器と組み合わせて用いることができる。

第１チャンバ１１２を含む仕切り１０８は、内部キャビティ１０６内に延設されて第２チャンバ１１４Ａ及び１１４Ｂを形成している。第１開口１１０は、平均ピトーセンサ１００の第１平坦面１１６を貫通して延設され、第１チャンバ１１２に連通している。第１開口１１０は、図５に示すような単一の溝孔としてもよいし、第１平坦面１１６に延設される複数の溝孔、第１平坦面１１６に延設される単一の開口孔、または第１平坦面１１６に延設される一連の開口孔であってもよい。第２平坦面１１８Ａは、第２チャンバ１１４Ａに連通する第２開口（図示せず）を、また第２平坦面１１８Ｂは、第２チャンバ１１４Ｂに連通する第２開口（図示せず）を、それぞれ備えている。上述した差圧センサは、既に知られているように、一方のダイヤフラムを第１チャンバ１１２に露出させ、他方のダイヤフラムを第２チャンバ１１４Ａ及び１１４Ｂに露出させるようにして、平均ピトーセンサ１００に組み付けられる。一実施形態として、平均ピトーセンサ１００は、米国ミネソタ州のイーデンプレーリー（Eden Prairie）にあるローズマウント社（Rosemount Inc.）から購入可能な、ローズマウント４８５アニュバー（Rosemount 485 Annubar、登録商標）からなる。別の実施形態では、平均ピトーセンサ１００が、米国ミネソタ州のイーデンプレーリー（Eden Prairie）にあるローズマウント社（Rosemount Inc.）から購入可能な、ローズマウント５８５アニュバー（Rosemount 585 Annubar、登録商標）からなる。第１平坦面１１６は、差圧センサが全圧を検出できるようにプロセス流体の上流方向に向いており、第２平坦面１１８Ａ及び１１８Ｂは、差圧センサが後流における圧力を検出できるようにプロセス流体の下流方向に向いている。Ｔ字状断面形状の管部を有した平均ピトーセンサに関して説明を行っているが、別の形状の管部を有した平均ピトーセンサを用いることも可能である。例えば、平均ピトーセンサ１００は、菱形、または直線で囲まれた形の断面形状を有していてもよい。また、平均ピトーセンサ１００は、平坦面を有していなくてもよく、円形または楕円の断面形状を有していてもよい。

本発明の制振用質量体は、平均ピトーセンサ１００の下端部に組み付けることが可能である。例えば、下部１０４を封止状態とし、図３に示すキャップ７４、ディスク７６、及びロッド７８と同様の、キャップ、ディスク、及びロッドを、平均ピトーセンサ１００の外面に結合してもよい。また、下部１０４を開口して、図２に示す内蔵片持ち梁５３のような片持ち梁を内部キャビティ１０６内に挿入し、図２に示すプレート５６のようなプレートで塞ぐようにしてもよい。こうして制振用質量体を取り付けることにより、上述したようにして平均ピトーセンサ１００の振動を低減または排除するように、制振用質量体を構成することができる。

本発明は、流動するプロセス流体中に配設して使用するセンサプローブのハウジングの振動を低減する方法及び装置を提供する。特定の変動範囲の乱流が生じるプロセス流体中に挿入されるように予め構成されたセンサハウジングに対し、当該特定の変動範囲の乱流におけるセンサハウジングの共振周波数が定まる。これに対応し、センサハウジングの共振を抑制する上で十分な力を有して特定の変動範囲の乱流中で振動する制振用質量体が構成される。本発明の一部の実施形態においては、制振用質量体が片持ち梁で構成される。片持ち梁のばね定数、減衰係数、及び質量の大きさは、センサハウジングのピーク振動を抑制するために必要な制振作用が得られるように選定される。センサハウジングの振動の低減は、センサハウジングの寿命に加え、内蔵されるセンサ素子の寿命をも引き延ばす。プロセス流体の温度を検出するサーモウェル管や、プロセス流体の圧力を検出する平均ピトーセンサのピトー管といったセンサハウジングを、本発明の制振用質量体と組み合わせて使用することが可能である。

制振用質量体は、センサハウジングの内側または外側に装着される。一実施形態において、制振用質量体は、センサハウジング内に延設されてセンサを取り囲む中空円柱体をなすような片持ち梁からなる。別の実施形態では、制振用質量体が、センサハウジングの外面から延設されたロッドによって吊り下げられたディスクのような振り子体からなる。但し、これらの部材は、別の変形例と組み合わせることが可能である。制振用質量体は、センサハウジングの振動のピーク振幅を低減する。制振用質量体は、貫通孔または多孔構造による通路といった内部通路を設けることが可能であり、空気または液体といった流体中に配設して更なる制振機構が備えられるようにしてもよい。また、制振用質量体は、互いに近接して設けられた２つの面の間に流体が設けられるスクイズフィルムダンパとして構成することも可能である。更に、制振用質量体は、プロセス流体の境界層の剥離を生じさせる流動調整部材を組み合わせることも可能である。これらの特徴を、いずれか１つまたは組み合わせて適用する場合、センサハウジングの疲労寿命を大幅に延長することができる。個々の制振用質量体の振動低減特性及び振動緩和特性は、予め定められた流動状態の範囲内でプロセス流体が流動し、その結果として乱流により生じる力が判っているような既知のプロセス制御システムにおいて使用しようとするセンサハウジングに対し、個別に設定し選択することができる。従って、所望のセンサハウジングを得るべく製造を行う際に、制振用質量体の特性を調整または変更するようにしてもよい。

具体的な実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能であると共に、均等物で本発明の各構成要素を置き換えることが可能であることが当業者に理解されよう。また、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況やものを本発明の教示に適合させるためのさまざまな変形が可能である。従って、本発明は、開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲内に含まれる全ての形態を含むものである。

Claims (31)

1. 流体通路内のプロセス流体中に設けるための管部材であって、前記流体通路に結合される第１端部、及び前記プロセス流体中に挿入される第２端部を有する管部材と、
   前記管部材に接するセンサ素子と、
   前記管部材に組み付けられ、前記プロセス流体中に挿入されているときに前記管部材の振動を低減するように構成された制振用質量体と
   を備えることを特徴とするセンサプローブ。
2. 前記制振用質量体は、前記プロセス流体の流動によって生じる振動の周波数領域におけるピーク振幅を低減する質量、減衰係数、及びばね定数を有することを特徴とする請求項１に記載のセンサプローブ。
3. 前記制振用質量体は、前記管部材の内側に設けられることを特徴とする請求項１に記載のセンサプローブ。
4. 前記制振用質量体は、前記管部材の外側に設けられることを特徴とする請求項１に記載のセンサプローブ。
5. 前記制振用質量体の周囲を流動可能に前記制振用質量体を取り囲む流体を更に備えることを特徴とする請求項１に記載のセンサプローブ。
6. 前記制振用質量体は、前記制振用質量体を貫通する複数の孔を有することを特徴とする請求項５に記載のセンサプローブ。
7. 前記複数の孔は、互いに異なる方向に向けて延設された孔を含むことを特徴とする請求項６に記載のセンサプローブ。
8. 前記制振用質量体は、多孔質体からなることを特徴とする請求項６に記載のセンサプローブ。
9. 前記制振用質量体は、スクイズフィルムダンパを備えることを特徴とする請求項５に記載のセンサプローブ。
10. 前記制振用質量体は、多角形、星形、及び円形の群から選択された断面形状を有することを特徴とする請求項９に記載のセンサプローブ。
11. 前記管部材は、前記管部材の外側に設けられ、前記管部材を通り過ぎるプロセス流体の渦の放出を抑制する流動調整部材を有することを特徴とする請求項１に記載のセンサプローブ。
12. 前記制振用質量体は、前記管部材に片持ち支持されることを特徴とする請求項１に記載のセンサプローブ。
13. 前記管部材の前記第１端部は開口し、
    前記管部材の前記第１端部は閉塞し、
    前記センサ素子は、前記管部材の前記第１端部から延設されることを特徴とする請求項１２に記載のセンサプローブ。
14. 前記制振用質量体は、前記管部材の前記第２端部に配置されて、前記管部材を封止することを特徴とする請求項１３に記載のセンサプローブ。
15. 前記制振用質量体は、
    前記管部材の前記第２端部を封止するプレートと、
    前記プレートから前記管部材の内部に延設される片持ち梁と
    を備えることを特徴とする請求項１４に記載のセンサプローブ。
16. 前記片持ち梁は、前記センサ素子を取り囲む中空円柱体を備えることを特徴とする請求項１５に記載のセンサプローブ。
17. 前記片持ち梁と前記管部材との間に設けられる流体を更に備え、
    前記片持ち梁は、スクイズフィルムダンピング効果が得られるように、前記管部材に近接して配置される
    ことを特徴とする請求項１６に記載のセンサプローブ。
18. 前記制振用質量体は、閉塞した前記第２端部の外側に配置されることを特徴とする請求項１３に記載のセンサプローブ。
19. 前記制振用質量体は、
    前記管部材に結合されるキャップと、
    閉塞した前記第２端部から前記キャップ内に延設される振り子体と
    を備えることを特徴とする請求項１８に記載のセンサプローブ。
20. 前記振り子体は、
    閉塞した前記第２端部に位置する一端から前記キャップ内に位置する他端まで延設されるロッドと、
    前記ロッドの前記他端に結合された円柱状のディスクと
    を備えることを特徴とする請求項１９に記載のセンサプローブ。
21. 前記振り子体と前記管部材との間に設けられる流体を更に備え、
    前記振り子体は、スクイズフィルムダンピング効果が得られるように、前記管部材に近接して配置される
    ことを特徴とする請求項１９に記載のセンサプローブ。
22. 前記センサ素子は、温度センサからなることを特徴とする請求項１に記載のセンサプローブ。
23. 前記センサ素子は、差圧センサからなることを特徴とする請求項１に記載のセンサプローブ。
24. 前記管部材は、前記プロセス流体と接する内部空間を有した平均ピトーセンサを備え、
    前記差圧センサは、前記内部空間と流体的に連通している
    ことを特徴とする請求項２３に記載のセンサプローブ。
25. 前記平均ピトーセンサは、
    前記内部空間を第１チャンバと第２チャンバとに分離する仕切りと、
    前記第１チャンバに連通する第１開口と、
    前記第２チャンバに連通する第２開口とを備え、
    前記差圧センサは、前記第１チャンバ及び第２チャンバと流体的に連通している
    ことを特徴とする請求項２４に記載のセンサプローブ。
26. 前記平均ピトーセンサは、
    前記第１開口を有した第１平坦面と、
    前記第２開口を有し、前記第１平坦面の裏側に位置する第２平坦面と
    を更に備えることを特徴とする請求項２５に記載のセンサプローブ。
27. 流体通路内を流動するプロセス流体中に設けるように構成されたセンサハウジングにおける振動を低減する方法であって、
    前記プロセス流体の流動特性を定める工程と、
    前記プロセス流体中に設けられて前記流体通路に結合されるセンサハウジングの共振周波数を定める工程と、
    振動すると共に前記センサハウジングの共振周波数の振動を低減する制振用質量体を、前記流動特性に対応して構成する工程と
    前記センサハウジングに前記制振用質量体を装着する工程と
    を備えることを特徴とする方法。
28. 前記制振用質量体が前記センサハウジングの振動を低減する上で十分な力を生成するような、前記制振用質量体のばね定数、減衰係数、及び質量を選定する工程と、
    前記プロセス流体中に前記センサハウジングを配置する工程と
    を更に備えることを特徴とする請求項２７に記載の方法。
29. 流体を前記制振用質量体の周囲に流動させて前記センサハウジングの振動を更に低減する工程を更に備えることを特徴とする請求項２８に記載の方法。
30. 前記センサハウジングの外側に設けられた流動調整部材を通過するように前記プロセス流体を流動させて、前駆プロセス流体の境界層の剥離を生じさせる工程を更に備えることを特徴とする請求項２７に記載の方法。
31. 前記制振用質量体と前記センサハウジングとの間の流体によりスクイズフィルムダンパ効果を得る工程を更に備えることを特徴とする請求項２７に記載の方法。

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