JP2019529928A - 熱流束センサ - Google Patents

Abstract

プロセス流体に対する温度の示度を提供するように構成される熱流量センサ（１００）が提供される。センサ（１００）は、第一の測温抵抗体（ＲＴＤ）素子（１１２）と、シース（１０２）内で第一のＲＴＤ素子（１１２）から離隔される第二のＲＴＤ素子（１１４）とを含む。センサ（１００）は、第一のサブセット（２０１）および第二のサブセット（２０２）を含む導線（１１６）のセットも包含し、第一のサブセット（２０１）が第一のＲＴＤ素子（１１２）に連結され、第二のサブセット（２０２）が第二のＲＴＤ素子（１１４）に連結される。

Description

発明の背景
プロセス内の温度および熱流量測定値を知ることがプロセスを制御または監視するために重要である多くの産業用途がある。サーモウェルは、容器、例えば、パイプ内のプロセス流体温度を測定することを可能にする公知の器具である。しかし、サーモウェル内の温度センサは、周囲温度と、特にサーモウェルのプロセス温度との間に差があるとき、誤差が起こりやすい場合がある。

発明の概要
プロセス流体に対する温度の示度を提供するように構成される熱流量センサが提供される。センサは、第一の測温抵抗体（ＲＴＤ）素子と、シース内で第一のＲＴＤから離隔される第二のＲＴＤ素子とを含む。センサは、第一のサブセットおよび第二のサブセットを含む導線のセットも包含し、第一のサブセットが第一のＲＴＤ素子に連結され、第二のサブセットが第二のＲＴＤ素子に連結される。

本発明のいくつかの態様に従ったセンサ構成を例示する。 本発明のいくつかの態様に従ったセンサ構成を例示する。 本発明のいくつかの態様に従ったセンサ構成を例示する。 本発明のいくつかの態様に従った導線構成を例示する。 本発明のいくつかの態様に従った導線構成を例示する。 本発明の一つの態様に従ったプロセス流体の温度の示度を提供する方法のフロー図である。 本発明の一つの態様に従った温度測定アセンブリの模式図である。 本発明の一つの態様に従った装置電子機器のブロック図である。

発明を実施するための形態
既存の産業用プロセス温度センサの問題に対するいくつかの解決策が公知である。例として、産業用パイプスキン温度センサは、送信機に連結されることができ、熱流量を推測することによって温度測定値を検出し報告することができる。しかし、パイプスキン温度センサを使用することは、プロセスから送信機への熱伝導率が公知であることを要し、プロセス温度測定値が周囲温度に対して上昇している際は難しい場合があるセンサが、送信機に直接接続されることを要する場合がある。これは、プロセス流体温度が高い際の用途を限定する場合がある。センサと送信機との間に伸長を加えることは、そのような状態に役立つことができる。しかし、環境影響に起因して、測定誤差は、より顕著になる場合がある。また、絶縁物がセンサアセンブリを通じて送信機ハウジングへの熱流量を制御し、非線形温度プロファイルを誘発させることができる環境影響を低減するのに役立つことができる一方で、それは、パイプの点検およびパイプとのインターフェースをより難しくもする。

浅いサーモウェル内の温度センサについては、周囲温度は、感知素子の誤差を誘発させる場合がある。周囲温度とプロセス温度との間の差は、摂氏５度を上回る測定誤差を引き起こすことができる勾配をセンサ素子にわたって生じさせることができる。どのくらいの誤差が発生しているかを判定し、正確な温度指示値を取得することが難しい場合がある。

先に記載した問題に対する一つの可能な解決策は、熱流束センサの使用であり、そのいくつかは、現在、利用可能である。しかし、現在の熱流束センサは、壊れやすく、作るのに費用がかかり、すべての産業プロセスにとっては有効でない場合がある限定された温度測定範囲を有する。先に記載した問題を解決し、堅牢かつ経済的な製造につながる熱流束センサが望ましい。本明細書に提示される少なくともいくつかの態様は、そのような解決策を提供する。

測温抵抗体（ＲＴＤ）は、温度によって変動する抵抗を有する抵抗素子を持つ温度センサである。ＲＴＤセンサは、より広い温度範囲にわたり機能し、他のセンサ構成よりもよりよい精度、よりよい互換性およびより長い期間の安定性を提供することができる。

図１Ａ〜１Ｂは、図１Ｃに示されるように、組み合わされて、本発明の態様に従った熱流束センサを提供するために活用されることができる現在のＲＴＤ構成を例示する。熱流束センサは、図１Ａに示されるように前面構成または図１Ｂに示されるように背孔構成であることができる、二つのＲＴＤを含む。図１Ｃは、前面ＲＴＤ構成と背孔構成の両方を利用する熱流束センサの一例を例示する。

図１Ａは、センサカプセル１０２内に前面ＲＴＤ素子１１２を持つ前面ＲＴＤセンサを含む構成１１０を例示する。カプセル１０２は、一つの態様では、異なる導線１１６とＲＴＤ素子１１２との間の分離を維持するように構成される無機絶縁物パウダーを包含する。無機絶縁物は、より濃密でない無機絶縁物１０４とより濃密な無機絶縁物１０６の二つの組成物で存在することができる。一つの態様では、無機絶縁物１０４および１０６は、無機絶縁物パウダーを含む。前面ＲＴＤ素子１１２は、一つの態様では、より濃密でない無機絶縁物１０４内に位置付けられる。一つの態様では、一つまたは複数の導線１１６は、ＲＴＤ素子１１２に連結し、そこから伸びている。一つの態様では、四つの導線１１６のセットは、ＲＴＤ素子１１２から伸びている。しかし、他の態様では、追加のまたはより少ない導線１１６がＲＴＤ素子１１２から伸びてもよい。

図１Ｂは、センサカプセル１０２内に背孔ＲＴＤ素子１１４を包含するセンサ構成１２０を例示する。ＲＴＤ素子１１４は、一つの態様では、より濃密でない無機絶縁物１０４とより濃密な無機絶縁物１０６との間の接合部に渡り、より濃密でない無機絶縁物１０４の層内に部分的にあり、より濃密な無機絶縁物１０６の層内に部分的にあるようにすることができる。一つの態様では、ＲＴＤ素子１１４のより大きな部分は、より濃密な無機絶縁物１０６内に位置する。もう一つの態様では、しかし、ＲＴＤ素子１１４は、無機絶縁物層１０４および１０６に実質的に等しく渡るまたはより濃密でない無機絶縁物１０４内により大きな部分を有することができる。一つの態様では、センサ構成１２０は、ＲＴＤ素子１１４に連結し、そこから伸び、無機絶縁物層１０４および１０６を通り、センサカプセル１０２を出る、一つまたは複数の導線１１６を含む。図１Ａおよび１Ｂに例示されるように、前面センサ構成１１０と背孔センサ構成１２０との間の一つの注目すべき差は、無機絶縁物層１０４および１０６に対するＲＴＤ素子１１２および１１４の位置付けである。ＲＴＤ素子１１２と１１４との間のもう一つの差は、導線１１６に対する連結方向である。

図１Ｃは、本発明の態様に従った熱流量センサを例示する。熱流量センサは、熱流束に関連する直接的な示度を提供する。センサ構成１３０は、前面ＲＴＤ素子１１２と背孔ＲＴＤ素子１１４の組み合わせを含む。一つの態様では、ＲＴＤ素子１１２は、ＲＴＤ素子１１４と向かい合う。混在センサ構成１３０が四つの導線１１６を含む一方で、一つの態様では、導線１１６のサブセットのみがＲＴＤ素子１１２および１１４の各々に接続される。一つの態様では、導線１１６のセットの半分がＲＴＤ素子１１２および１１４の各々に連結される。一つの態様では、導線１１６は、ＲＴＤ１１２から伸び、センサカプセル１０２を出る前にＲＴＤ１１４に沿って通る。本発明の態様が一般的に無機絶縁物を採用するものとして記載される一方で、他の形態の絶縁物、例えば、セラミックポッティングが本発明の態様に従って使用されることができることが明確に考えられる。

一つの態様では、ＲＴＤ素子１１２は、混在構成１３０では、より濃密でない無機絶縁物１０４内に実質的に完全に位置しており、一方でＲＴＤ素子１１４は、より濃密でない無機絶縁物１０４とより濃密な無機絶縁物１０６との間の接合部に渡る。一つの態様では、一対の導線１１６は、ＲＴＤ素子１１２から伸びており、第二の一対の導線１１６は、ＲＴＤ素子１１４から伸びている。

図２Ａおよび２Ｂは、本発明のいくつかの態様に従った導線構成の例を示す。図２Ａは、いかにＲＴＤ素子１１２および１１４または導線のセットに連結される他の適切な感知素子がプロセスの温度測定値を取得するために使用されることができるかの一例を例示する。図２Ａは、第一のＲＴＤ素子２１０と第二のＲＴＤ素子２２０とを含む構成２００を例示する。感知素子２１０は、導線２０１、２０２および２０３を使用して測定値を提供するように構成され、一方で感知素子２２０は、導線２０２、２０３および２０４を使用するように構成される。短絡は、一つの態様では、導線２０２と２０３とを連結し、他の導線との抵抗ばらつきを生じさせるように構成され、温度が計算されることを可能にする。３線システムは、一つの態様では、通電パスのために二つの導線を、通電導線にわたる電圧降下を評価するための第三の導線を利用する。導線２０２と２０３との間に存在する短絡は、一つの態様では、非通電パスに接続される。一つの態様では、二つの通電導線は、例として、導線抵抗を打ち消すために、長さが等しい。

混在センサ構成、例えば、図１Ｃに提示されるようなそれの使用は、送信機の遠隔の取り付けが必要なときに、熱流束センサが使用されることを可能にすることができる。それは、静的および動的プロセス状態の両方のための単一チャンネル装置で熱流量を評価するために、改良された熱伝導パスを作ることもできる。それは、より堅牢な温度センサ構成を提供することもできる。したがって、一つのセンサ構成は、単一センサカプセル内の四つの線のみを利用する温度測定のための二つの３線システムを提供することができる。そのようなセンサ構成は、より広範なプロセス温度範囲にわたるより正確な温度測定値によって、改良された熱伝導パスを提供することができる。

図２Ｂは、本発明のもう一つの態様に従った代替導線構成２５０を例示する。一つの態様では、導線構成２５０は、無機絶縁物内に六つの導線を含み、第一の感知素子２６０および第二の感知素子２７０がデュアル４線ＲＴＤ測定システムとして動作することができるようにする。一つの態様では、デュアル４線ＲＴＤ測定システムは、二つの導線、例として、図２Ｂに示されるように導線２５３と２５４との間に短絡を生じさせることによって構成される。構成２５０は、一つの態様では、四つを超える接続線が存在するため、デュアルチャンネル温度送信機を要する場合がある。

図３は、本発明の一つの態様に従ったプロセスに対する熱流束を測定する方法の一例を例示する。方法３００は、先に記載したように、センサ構成、例えば、図１Ｃに示されるそれおよび／または導線構成、例えば、図２Ａ〜２Ｂに示されるそれらによって有効である場合がある。また、方法３００は、他の適切なセンサ構成および他の導線構成によって有効である場合もある。一つの態様では、方法は、プロセス流体が含有されるプロセス容器の壁の外表面と接触させてセンサを位置付けることを包含する。

ブロック３１０では、示度は、第一のＲＴＤ感知素子から受信される。一つの態様では、示度は、４線システムの３線サブコンビネーション、例えば、図２Ａに示されるそれから、ブロック３１２に表示されるように受信される。もう一つの態様では、示度は、ブロック３１６に表示されるように、６線システムの３線サブコンビネーション、例えば、図２Ｂに示されるそれから受信される。さらなる態様では、示度は、ブロック３１４に表示されるように、６線システムの４線サブコンビネーションから受信される。

ブロック３２０では、示度は、第二のＲＴＤ感知素子から受信される。一つの態様では、示度は、４線システムの３線サブコンビネーション、例えば、図２Ａに示されるそれから、ブロック３２２に表示されるように受信される。もう一つの態様では、示度は、６線システムの３線サブコンビネーション、例えば、図２Ｂに示されるそれから、ブロック３２４に表示されるように受信される。さらなる態様では、示度は、６線システムの４線サブコンビネーションから、ブロック３２６に表示されるように受信される。

一つの態様では、第一の示度は、混在センサ構成の前面ＲＴＤ素子によって生成され、一方で第二の示度は、背孔ＲＴＤ素子によって生成される。しかし、もう一つの例では、示度は、第一に背孔ＲＴＤ素子から、第二に前面ＲＴＤ素子から受信される。

ブロック３３０では、熱流束計算は、第一のおよび第二の示度をもとに実行される。ブロック３４０では、プロセス流体温度は、計算された熱流束に基づいて推定される。

ブロック３５０では、プロセス流体温度の示度が提供される。示度は、一つの態様では、プロセスのステータス、例として、例えば、「過熱」または「許容範囲内」を含むことができる。もう一つの態様では、数値的温度が、例として、華氏度、摂氏またはケルビンで提供される。もう一つの態様では、示度は、ブロック３５２に表示されるように可聴警報の形態、例として、所望の範囲の上もしくは下の温度に対する点滅光で、またはブロック３５４に表示されるように視覚出力として提供されることができる。例として、温度の示度は、センサ送信機に近接するまたはセンサ送信機から遠隔の画面上に提供されることができる。示度は、温度センサに近接するまたは温度センサから遠隔であることができる別の計算装置に直接提供されることもできる。もう一つの態様では、示度を提供することは、プロセスの流れに沿った測定のポイントに近接する温度を、例として、センサに連結される画面または視聴覚警報機構に映し出すことを含む。

一つの態様では、示度を提供することは、ブロック３５６に表示されるように、測定された温度を記憶することも含む。検出されたプロセス温度のいくつかまたはすべてを記憶することは、追加の分析、例えば、経時的なプロセスの流れ内の傾向を生成することを可能にすることができる。提供された示度を記憶することは、ローカルに、例として、マイクロボルトメータのメモリ内に記憶すること、または遠隔に記憶すること、例として、検出された温度または検出された抵抗ばらつきを遠隔の記憶媒体に送ることを含むことができる。

図４は、本発明の一つの態様に従った温度測定アセンブリの模式図である。アセンブリ４００は、一つの態様では、プロセス容器壁４１０に連結されるセンサアセンブリ４３０を含む。一つの態様では、連結器は、パイプクランプ４２０である。センサ４３０は、センサアセンブリにローカルに接続されるまたは遠隔であることができる送信機４４０に伸びている、一つまたは複数の導線４５０を有することができる。送信機４４０は、熱流束計算、例として、先に記載したように、方法３００の計算を実行するように構成されることができる。

図５は、本発明の一つの態様に従った電子部品の模式図である。電子部品５００は、一つの態様では、電子部品ハウジング５１４内に収容されることができる。電子部品ハウジング５１４は、一つの態様では、図４の送信機４４０を含むことができる。もう一つの態様では、電子部品５００の少なくともいくつかは、センサアセンブリの一部、例えば、図２および３のそれらを形成する。電子部品５００は、一つの態様では、プロセッサ５５０、第一のＡ／Ｄコンバータ５５２、第二のＡ／Ｄコンバータ５５４およびメモリ５５６を含む。プロセッサ５５０は、一つの態様では、デジタルマイクロプロセッサである。メモリ５５６は、一つの態様では、プロセッサ５５０に電気的に連結されるデジタルデータ記憶装置を含む。一つの態様では、電子部品５００は、例として、温度または装置ステータスを映し出すことができるローカルオペレータインターフェース５６６を通じて、ローカルにアクセス可能であることができる。

プロセッサ５５０は、第一のＡ／Ｄコンバータ５５２と一つまたは複数のセンサ導線５３８との間の連結によって、温度センサ、例として、センサアセンブリ４３０に接続される。第一のＡ／Ｄコンバータ５５２は、一つの態様では、第一のセンサアセンブリからのアナログ電気信号を受信し、プロセッサ５５０のためにデジタル信号に変換するように構成される。第二のＡ／Ｄコンバータ５５４は、プロセッサ５５０を第二のセンサアセンブリに接続する。一つの態様では、第一のおよび第二のセンサアセンブリは、ＲＴＤセンサ、例えば、図１Ａ〜１Ｃに提示されるＲＴＤ素子を含む。第二のＡ／Ｄコンバータ５５４は、感知装置４３０からのアナログ電気信号をプロセッサ５５０のためにデジタル信号に変換するために、センサ線５４２に電気的に接続される。

一つの態様では、電気ハウジング５１４は、通信インターフェース５５８も包含することができる。通信インターフェース５５８は、電子部品５００と制御または監視システム５６２との間の通信を提供する。電子部品５００は、プロセス、例えば、図４に示されるプロセス４１０内のプロセス流体の計算された温度を制御システム５６２に送信することができる。温度測定アセンブリ５１０と制御システム５６２との間の通信は、任意の好適な無線または有線接続を通じることができる。例として、通信は、４〜２０mAの範囲である２線ループ上のアナログ電流によって表されることができる。あるいは、通信は、HARTデジタルプロトコルを使用して２線ループ上で、またはデジタルプロトコル、例えば、Foundationフィールドバスを使用して通信バス上においてデジタル形態で送信されることができる。通信インターフェース５５８は、場合により、無線プロトコル、例えば、WirelessHART（ＩＥＣ６２５９１）を使用する無線送信による通信のための無線通信回路５６４を包含することができる。その上、制御または監視システム５６２との通信は、直接または任意の数の媒介装置のネットワーク、例として、無線メッシュネットワーク（図示せず）を通じるものであることができる。通信インターフェース５５８は、温度測定アセンブリ５００への／からの通信を管理および制御するのに役立つことができる。例として、制御または監視システム５６２は、通信インターフェース５５８によって、基本構造パラメータ、プロセス容器壁パラメータを入力もしくは選択すること、または特定の用途のための伝熱モデルを選択することを包含する、温度測定アセンブリ５００の構成を提供することができる。

Claims (21)

1. プロセス流体に対する温度の示度を提供するように構成される熱流量センサであって、
   第一の測温抵抗体（ＲＴＤ）素子と、
   シース内で第一のＲＴＤ素子から離隔される第二のＲＴＤ素子と、
   第一のサブセットおよび第二のサブセットを含む導線のセットとを含み、
   第一のサブセットが第一のＲＴＤ素子に連結され、第二のサブセットが第二のＲＴＤ素子に連結される、熱流量センサ。
2. プロセッサが第一および第二のＲＴＤ素子からの信号に基づいてプロセス流体の温度を推定するように構成される、請求項１記載の熱流量センサ。
3. 第一のＲＴＤ素子が前面ＲＴＤ素子を含む、請求項１記載の熱流量センサ。
4. 第一のＲＴＤ素子が背孔ＲＴＤ素子を含む、請求項１記載の熱流量センサ。
5. 導線の第一のサブセットが第一の導線および第二の導線を含み、導線の第二のサブセットが第三の導線および第四の導線を含む、請求項１記載の熱流量センサ。
6. 導線のセットが六つの導線を含む、請求項１記載の熱流量センサ。
7. 第一および第二のＲＴＤ素子がセンサカプセル内に位置する、請求項１記載の熱流量センサ。
8. 第二のＲＴＤ素子が無機絶縁物によって第一のＲＴＤ素子から離隔される、請求項１記載の熱流量センサ。
9. 無機絶縁物が第一の無機絶縁物層および第二の無機絶縁物層を含む、請求項８記載の熱流量センサ。
10. 第一および第二のＲＴＤ素子の一つが、実質的に第一の無機絶縁物層内に位置する、請求項９記載の熱流量センサ。
11. 第一および第二のＲＴＤ素子の一つが、第一の無機絶縁物層と第二の無機絶縁物層との間の接合部に渡るように位置する、請求項９記載の熱流量センサ。
12. センサがプロセス流体の導管の外表面に接触するように位置する、請求項１記載の熱流量センサ。
13. 第一のＲＴＤ素子が導管の外表面に向かって位置する前面ＲＴＤ素子である、請求項１２記載の熱流量センサ。
14. 熱流量センサであって、
    第一の導線および第二の導線に連結される第一の抵抗ベース温度感知素子と、
    第三の導線および第四の導線に連結される第二の抵抗ベース温度感知素子と、
    第二の導線と第三の導線との間の電気連結とを含み、
    第一の抵抗ベース温度感知素子が第一の３導線抵抗検出システムとして動作するように構成され、第二の抵抗ベース温度感知素子が第二の３導線抵抗検出システムとして動作するように構成され、第一および第二の３導線抵抗検出システムが独立に抵抗を検出するように構成される、熱流量センサ。
15. 第一および第二の抵抗ベース温度感知素子が測温抵抗体（ＲＴＤ）素子を含む、請求項１４記載の熱流量センサ。
16. 第一の抵抗ベース温度感知素子が前面ＲＴＤ素子を含む、請求項１４記載の熱流量センサ。
17. 第二の抵抗ベース温度感知素子が背孔感知素子を含む、請求項１６記載の熱流量センサ。
18. 第一および第二の抵抗ベース温度感知素子が、無機絶縁物によって実質的に囲まれる、請求項１４記載の熱流量センサ。
19. プロセス流体の温度を推定する方法であって、
    センサハウジング内の前面測温抵抗体（ＲＴＤ）素子からの第一の検出された抵抗の第一の示度を受信する工程と、
    センサハウジング内で無機絶縁物によって前面ＲＴＤから離隔される背孔ＲＴＤ素子からの第二の検出された抵抗の第二の示度を受信する工程と、
    第一の検出された抵抗と第二の検出された抵抗との間の抵抗ばらつきを検出する工程と、
    検出された抵抗ばらつきに基づいてプロセス流体の温度を推定する工程と、を含む方法。
20. 前面ＲＴＤ素子が第一の導線および第二の導線に連結され、背孔ＲＴＤ素子が第三の導線および第四の導線に連結され、短絡が第二の導線を第三の導線に連結する、請求項１９記載の方法。
21. 前面ＲＴＤ素子が第五の導線にも連結され、背孔ＲＴＤ素子が第六の導線にも連結される、請求項２０記載の方法。

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