JP2023521438A - 耐振型感温アセンブリ - Google Patents

Abstract

熱プローブアセンブリは、温度によって変化する電気的特性を有する感温素子を含む。複数のリード線が、感温素子に動作可能に結合される。感温素子が、シース内に配置され、シースの遠位端部から、感温素子に耐振動性を与えるように選択された距離だけ、離間されて配置される。

Description

背景
プロセス産業では、化学、パルプ、石油、製薬、食品、その他の流体プロセスプラントにおいて、固体、スラリー、液体、蒸気、ガスなどの物質に関連するプロセス変数を監視するために、プロセス変数送信機が採用されている。プロセス変数には、圧力、温度、流量、レベル、濁度、密度、濃度、化学組成、その他、の特性が含まれる。

温度センサーは、プロセス流体に関する温度を示すために、様々なプロセス可変送信機で使用されている。温度センサーには多くの種類があるが、測定精度や正確さの向上が求められる場合には、測温抵抗体（ＲＴＤ：Resistance Temperature Detector）が一般的に使用される。ＲＴＤは、通常、中心支持体の周りに感温性ワイヤーを巻き付けるか、セラミックなどの非導電性基板上に感温性金属を蒸着するなどしてパターン化した回路を使用する。感温金属は、温度によって導電率が変化する金属であれば何でも使用できる。好適な例としては、ニッケルや白金が挙げられる。ＲＴＤは、様々なサイズで作ることができるが、一般的にＲＴＤが大きくなるにつれてコストが増加する。したがって、小型のＲＴＤは、高い測定精度と正確さ、そして低コストという重要な利点を提供する。

ＲＴＤは様々な用途で使用されているが、１つの特定な用途として、熱プローブがある。熱プローブでは、ＲＴＤは、衝撃や媒体との直接接触からＲＴＤを保護するシース、又は、導管、の内に配置される。設置場所によっては、熱プローブは、その後、サーモウェルや流量センサーなど、より大きな検出構造物に挿入される。これらの装置は、通常、プロセス流体の流れ中に露出され、高温や振動の影響を受ける。サーモウェルでは、熱プローブのシースの端部が、サーモウェルの底面に接触している。これは、効果的な熱接触を確保するだけでなく、耐振動性を提供するシースをサーモウェル内に機械的に固定するという点で有利である。

概要
熱プローブアセンブリは、温度によって変化する電気的特性を有する感温素子を含む。複数のリード線が、感温素子に動作可能に結合されている。感温素子は、シース内に配置され、シースの遠位端部から、感温素子に耐振動性を提供するように選択された距離だけ離間されて、配置されている。

既知のＲＴＤプローブアセンブリの断面図である。 サーモウェルに組み込まれた標準的なＲＴＤプローブアセンブリの断面図である。 サーモウェルに組み込まれた標準的なＲＴＤプローブアセンブリの分解図である。 流量測定装置に組み込まれた標準的なＲＴＤプローブアセンブリの斜視図である。 流量測定装置に組み込まれた標準的なＲＴＤプローブアセンブリの分解図である。 従来技術に従った、流量測定用途におけるＲＴＤプローブアセンブリの概略断面図である。 本発明の実施形態に従った、流量測定用途におけるＲＴＤプローブアセンブリの概略断面図である。 既知のＲＴＤプローブの設計を、本発明の実施形態に従ったＲＴＤプローブ設計（図５Ｂ）と対比的に示す図である。 本発明の実施形態に従ったＲＴＤプローブの設計を、既知のＲＴＤプローブ設計（図５Ａ）と対比的に示す図である。 従来型ＲＴＤプローブアセンブリの振動解析と、本発明の実施形態による延伸された長さのＲＴＤの振動解析と、を示す図である。 シース長が１７．２インチの従来型ＲＴＤプローブアセンブリの振動解析と、本発明の実施形態による延伸されたシース長を有するＲＴＤプローブアセンブリの振動解析と、を比較した図である。 相対変形量の最小値の位置を示すＲＴＤプローブアセンブリの図である。 振動解析を説明するための出力振幅対振動数のグラフである。 本発明の別の実施形態によるＲＴＤプローブアセンブリの外径に適用することができるバネアセンブリの斜視図である。 本発明の別の実施形態によるＲＴＤプローブアセンブリの外径に適用することができるバネアセンブリの概略図である。 本発明の別の実施形態によるＲＴＤプローブアセンブリに適用可能な構造の別の実施形態を示す斜視図である。 本発明の別の実施形態によるＲＴＤプローブアセンブリに適用可能な構造の別の実施形態を示す概略図である。

例示的な実施形態の詳細な説明
ＲＴＤアセンブリは、様々な用途で使用されている。このような用途には、プロセス管路を流れるプロセス流体やその他の物質の、温度を測定したり、貯蔵容器やタンク内に廃棄したり、するためのサーモウェルでの利用が含まれる。ＲＴＤプローブアセンブリのもう一つの一般的な用途は、プロセス流体の流量測定である。プロセス流体の流量測定中のプロセス流体の温度測定は、流体の特性がプロセス流体の温度によって影響を受ける可能性がある、という点で重要である。プロセス流体の温度も検出するプロセス流体の流量測定システムの一例が、Rosemount 3051SFA-Annubar（登録商標） Flow meterという商品名で販売されている。アニューバー（Annubar）式流量計の平均化ピトー管の第１要素（primary element）では、ＲＴＤ素子は、通常、アニューバー式流量計の第１要素が延伸されるプロセス流体の導管のほぼ中央に位置するように配置される。一般的にＲＴＤは、遠位端部を支持しない状態で、配管内径の中央１／３にＲＴＤ素子が配置されるように、アニューバー式流量計の第１要素で規定されている。認識できるように、アニューバー式流量計の要素は、プロセス流体が流れると振動を受ける。場合によっては、流量計の第１要素内のＲＴＤ素子が受ける振動によって、ＲＴＤ素子が損傷したり、破壊されたりすることがある。

本発明の実施形態は、一般的に、ＲＴＤ素子に対する振動の問題の慎重な研究から生じるものであり、本発明の実施形態は、特に、プロセス流体の流れる設備に配置されたＲＴＤアセンブリに適用可能であるが、本発明の実施形態は、ＲＴＤプローブアセンブリが振動を受ける任意の設備、又は、用途に適用可能である。

図１は、ＲＴＤプローブアセンブリの断面図である。ＲＴＤプローブアセンブリ１００は、シース１０４の遠位端部１０６の近くの保護シース１０４内に位置するＲＴＤ素子１０２を含む。シース１０４は、マウント１０８に機械的に結合されており、マウント１０８は、場合によっては、サーモウェルのような他の構造物にネジ式に取り付けられるようにネジが切られている。複数の導線１１０、１１２、１１４、１１６は、ＲＴＤ素子１０２に電気的に結合され、ＲＴＤ素子１０２への外部接続を可能にする。

ＲＴＤ素子１０２は、温度によって変化する導電率を有する金属などの材料の巻線、又は、回路によって形成されている。そのような金属の例には、白金やニッケルが含まれる。図１に示されるように、ＲＴＤアセンブリ１００は、４つのリード線１１０、１１２、１１４、及び、１１６を有する。これにより、ＲＴＤ素子１０２を高精度な４線式測定技術で測定することができる。しかし、そのような精度を必要としない場合は、４本以下の配線で実施することも可能である。ＲＴＤ素子１０２は、シース１０４の遠位端部１０６に非常に近接して位置決めされていることが図示されている。一般的に、特にサーモウェルの場合、ＲＴＤ素子はサーモウェルの遠位端部の温度を測定することを目的としている。ＲＴＤ素子と、シース、及び／又は、サーモウェルの端部と、の間に材料が存在する限り、このような追加の材料は、ＲＴＤ素子によって測定が可能になるように、介在する構造を介して熱が流れるための追加の時間を発生させる。したがって、距離１１８は、一般的には、熱システムの時定数を減少させるために最小化される。

図２Ａは、サーモウェル１２０内に取り付けられたＲＴＤプローブアセンブリ１００の断面図である。図に示されるように、シース１０４は、サーモウェル１２０のボア１２２内に挿入される。更に、遠位端部１０６は、サーモウェル１２０の遠位端部１２４の近傍に位置する。ネジ付アダプタ１２６は、ＲＴＤプローブアセンブリ１００をネジ式に受けた後、次に、サーモウェル１２０の取り付け部分１３０内にネジ式に受けられる外向きネジ山１２８を含んでいる。これにより、ＲＴＤプローブアセンブリ１００を、プロセス流体、又は、他の材料に熱的に露出させながら、ＲＴＤプローブアセンブリ１００を、そのような露出から機械的及び化学的に保護することができる非常に堅牢な構造が形成される。

図２Ｂは、図２Ａに示す同アセンブリの分解図である。視認できるように、シース１０４は、ネジ式マウント１３２を通過している。

図３Ａは、プロセス流体の流量測定システムに組み込まれたＲＴＤアセンブリを示す斜視図である。プロセス流体の流量測定システムは、取り付けフランジ１５２と流量測定プローブ１５４を有する第１要素１５０を含む。取り付けフランジ１５２は、標準的なパイプフランジなどを介して、第１要素１５０をプロセス流体の流れる導管に取り付けるように構成されている。測定プローブ１５４は、プロセス流体の流れる導管内に延伸され、広い流量範囲にわたって優れた測定精度を提供する平均化ピトー管を提供する開口部１５５を含んでいる。流量測定プローブ１５４がプロセス流内に配置されている場合、測定プローブ１５４のエッジ１５６は、流量測定プローブに振動を誘発するフォン・カルマン渦を発生させることができる。ＲＴＤアセンブリ１００（図３Ｂに示す）は、送信機１５８がプロセス流体温度の指示値を提供できるように、流量測定プローブ１５４内に設けられている。

図３Ｂは、流量測定要素１５０の熱プローブポート１６０内に配置された標準ＲＴＤ１００を示している。ＲＴＤアセンブリの導線は、一般的に、ＲＴＤ素子の抵抗を測定し、プロセス流体温度の指示を提供するように構成された筐体１６２内の電子機器、又は、端子ブロック、に結合される。

図４Ａ及び図４Ｂは、既知のＲＴＤプローブ設計と、本発明の実施形態に従ったＲＴＤプローブ設計と、を対比させるものである。図４Ａに示されるように、既知の設計では、シース１０４の端部１０６に近接して配置されたＲＴＤ素子１０２を有する。ＲＴＤ素子がシースの端部、又は、その近傍にある場合、振動による損傷や破壊を受けやすいことが判明している。したがって、図４Ｂに示すように、ＲＴＤ素子１０２が依然として流導管１７０内の概ね同じ軸方向の位置にある一方で、シース２０４の端部２０６はＲＴＤ素子１０２から離間されて配置されている。このようにして、シース２０４に沿って存在する振動は、その波長に対応するが、素子１０２の位置から離間されて存在するようになる。シースの延伸量は、本発明の様々な実施形態に従って変化させることができる。シースの延伸は、シースの直径の関数として提供することができる。例えば、延伸は、少なくともシースの３本分の直径の距離で指定することができる。また、好ましい距離としては、６本分の直径の距離とすることができる。他の実施形態では、シースの延伸は、熱プローブが使用される構造物の固有周波数に基づいて選択することができる。例えば、共振周波数が３００Ｈｚの流れの第１要素は、１．５インチの延伸が必要な場合がある。最後に、シース延伸部は、単にＲＴＤ素子からの距離として提供することができる。一実施形態では、この距離は０．５インチよりも大きい。好ましい実施形態では、シース延伸部は、約１．５インチである。

図５Ａ及び図５Ｂは、既知のＲＴＤプローブアセンブリ設計（図５Ａ）と、本明細書に記載される実施形態に従ったＲＴＤアセンブリ（図５Ｂ）とを対比させている。図５Ａに示すように、ＲＴＤ検出素子１０２は、一般的に、シース１０４の端部１０６から約半インチ（１２．７ｍｍ）以内に配置される。これとは明確に対照的に、図５Ｂに示されるように、素子１０２は、シース２０４の端部２０６から大きく離間されている。シース２０４のこの延伸された長さは、参照数字２０８で図示されている。この実施形態は、一般的な、ＲＴＤアセンブリの時定数の減少を確実にするために、検出素子を遠位端部にできるだけ近く配置するというＲＴＤプローブの通常の設計とは反するものである。この比較的単純な、しかし直感に反するような変形は、ＲＴＤプローブアセンブリの様々な振動モードを詳細に理解することによって促進された。

図６は、１７．２インチの長さを有する既知のＲＴＤプローブアセンブリと、１８．７インチの長さを有する本発明の実施形態による延伸ＲＴＤプローブアセンブリと、の比較における振動解析の図である。それぞれの場合において、各設計に関する様々な次数の高調波振動が示されている。ＲＴＤが共振周波数で振動しているときに、ＲＴＤ素子の変形が最小となる位置にシース長を延伸することで、防振性能の向上が実現される。ＲＴＤのＮＰＴ側を固定した状態で、ＲＴＤのシース変形をシミュレーションするために、ＡＮＳＹＳが使用される。シースの１次の相対変形の傾向を図６と図７に示す。１次から５次までの相対変形の傾向から、１インチから５インチまでの位置で変形が最小となっている。周波数が高いほど、関連する変形位置がシース端に近くなる。周波数が２００Ｈｚ以上の場合、ＲＴＤアセンブリの先端から約１．５インチで、最小の関連する変形が発生している。

図７は、本発明の実施形態による延伸ＲＴＤプローブアセンブリ（ＲＴＤシース長１７．２インチ）と比較した従来のＲＴＤプローブアセンブリ（ＲＴＤシース長２１．２インチ）の振動解析の図である。

シミュレーションの結果に基づいて、延伸の長さを変えた様々な試作品を作成した。例えば、従来のＲＴＤアセンブリは１．５インチの延伸シース端に提供され、追加の試作品はＩＥＣ－７７００振動試験用に４インチの延伸シース端に提供された。初期の共振サーチが１０－５００Ｈｚに設定され、図９に示すように周波数が掃引された。約２９４Ｈｚと３６４Ｈｚに２つのピークが現れた。耐久条件の掃引周波数を２８５～３０５Ｈｚに設定し、耐久時間を４０時間としたところ、初回の振動試験後に、すべてのＲＴＤで正常値を読み取れた。その後、耐久の掃引周波数を３６０～３８０Ｈｚに変更したところ、いくつかの不具合が発生し始めた。従来のＲＴＤ（延伸なし）が最も早く故障し、次に最も長い延伸部（４インチ）のものが故障した。しかし、１．５インチの延伸試作品は、耐久試験で失敗しなかった。振動試験の結果、シース延伸部がない場合よりも、任意にシースを延伸させた方がよいが、共振周波数の波長に基づく特定のシースの延伸が、最も良い結果をもたらすことが示された。したがって、本発明の実施形態から、ＲＴＤ素子位置における最小、又は、減少した変形位置を提供するために、検出素子位置を変えることなく、ＲＴＤシース長を増加させるだけで、ＲＴＤプローブアセンブリの耐振動性を改善できると考えられる。この改善は、ＲＴＤプローブアセンブリの製造に対して、比較的少ない変更を加えるだけで、最小限のコスト増で、提供することができる。本発明の実施形態は、図３に示されるような第１要素のピトー管差圧の平均化に特に有用であるが、本発明の実施形態は、任意の振動にさらされる任意のＲＴＤプローブアセンブリで有用である。

本明細書に記載された実施形態は、一般的に、ＲＴＤアセンブリのシースを延伸することによって、ＲＴＤアセンブリの耐振動性を改善するが、シースの外径の周りに付勢素子（biasing element）を配置することによって追加の改善を提供できることも見出されている。これにより、サーモウェルやその他の測定アセンブリの内部で、シースがガタつく、又は、振動する程度を減少させることができる。

図１０Ａ－１は、本発明の実施形態に係るＲＴＤシースの外径に適用可能に外形化されたバネの斜視図である。バネ３００は、ＲＴＤシース１０４（図１０Ａ－２に示す）の外径に、固定されるか、又は、他の方法で付勢させるために、端部３０２、３０４が比較的小さい直径を有するような外形を有する。更に、バネ３００は、サーモウェル、又は、その他の測定構造の内径１２２（図２Ａに示す）などの内径と係合するように構成された、より大きな直径部分３０６を含むように外形化されている。このようにして、バネ３００は、シース１０４が測定構造内でガタつくか、さもなければ、振動する、程度を減少させるのに有益である。

本発明の別の実施形態によれば、シース１０４が測定構造内で移動できる程度を減少させるために、他の適切な素子をシース１０４の外径に適用することが可能である。図１０Ｂ－１に示されるように、バネ性バレル３５０は、シース１０４の外径の周りに適合する大きさの開口部３５２、３５４を含む。更に、スロット３５６は、端部３５２、３５４が外径１０４の周りに適合するように、バネ性バレル３５０が変形することを可能にする。更に、バネ性バレル３５０は、サーモウェル、又は、他の適切な測定構造の直径１２２などの内面に係合するために外側に湾曲する長手方向の細長い薄板（slat）３５８を備えるように示されている。このようにして、バネ性バレル３５０は、バネ３００（図１０Ａ－１、及び、図１０Ａ－２に示す）と同様に機能し、ＲＴＤシースが、サーモウェル、又は、測定構造、内で移動する可能性の程度を低減させることができる。バネ３００、又は、バネ性バレル３５０は、ＲＴＤ素子１０５とサーモウェルとの間の相対的な移動を緩和するために、クランプ、又は、その他の手段によって、シースに固定することができる。

本発明は、好ましい実施形態を参照して説明されているが、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、詳細において変更を加えることができることを認識するであろう。

Claims (21)

1. 熱プローブアセンブリであって、
   温度によって変化する電気的特性を有する感温素子と、
   前記感温素子に動作可能に結合された複数のリード線と、
   シースと、
   を備え、
   前記感温素子が、前記シースの遠位端部から前記感温素子に耐振性を提供するように選択された距離だけ離間されるように、前記シース内に配置されること、
   を含む、熱プローブアセンブリ。
2. 前記感温素子が、ＲＴＤ素子である、請求項１に記載の熱プローブアセンブリ。
3. 前記ＲＴＤ素子が、前記シースの前記遠位端部から約１．５インチだけ離間される、請求項２に記載の熱プローブアセンブリ。
4. 前記ＲＴＤ素子が、前記シースの前記遠位端部から１．５インチより大きく離間される、請求項２に記載の熱プローブアセンブリ。
5. 前記ＲＴＤ素子が、前記シースの前記遠位端部から約４．０インチだけ離間される、請求項４に記載の熱プローブアセンブリ。
6. フィールド装置であって、
   前記フィールド装置が、
   熱プローブアセンブリであって、
   前記熱プローブアセンブリが、
   温度によって変化する電気抵抗を有するＲＴＤ素子と、
   前記ＲＴＤ素子に動作可能に結合された複数のリード線と、
   シースと、
   を備え、
   前記ＲＴＤ素子が、前記シース内に配置され、遠位端部から離間される、前記熱プローブアセンブリ、
   プロセス流体中に挿入するように構成されたプロセス要素であって、前記熱プローブアセンブリを受け入れるように構成されたボアを有し、固有振動数を有する、プロセス要素、
   を含み、
   前記ＲＴＤ素子が、前記プロセス要素内で、前記固有振動数における振動の振幅が減少した位置に前記ＲＴＤ素子を配置させた距離だけ、前記シースの前記遠位端部から離間されている、フィールド装置。
7. 前記プロセス要素が、サーモウェルである、請求項６に記載のフィールド装置
8. 前記プロセス要素が、第１流量要素である、請求項６に記載のフィールド装置。
9. 前記ＲＴＤ素子が、前記シースの遠位端部から約１．５インチだけ離間される、請求項８に記載のフィールド装置。
10. 前記第１プロセス要素が、前記プロセス流体中にフォン・カルマン渦を発生させる、請求項９に記載のフィールド装置。
11. 前記ＲＴＤ素子が、前記プロセス要素内で、前記固有振動数における最小の振動振幅となる位置に前記ＲＴＤ素子を配置させた距離だけ、前記シースの遠位端部から離間されている、請求項６に記載のフィールド装置。
12. 前記ＲＴＤ素子が、前記プロセス要素内で、前記固有振動数の高調波における振動振幅が減少した位置に前記ＲＴＤ素子を配置させた距離だけ、前記シースの前記遠位端部から離間されている、請求項６に記載のフィールド装置。
13. 前記シースの周りに位置され、前記シースが前記ボアの内径から離れるように付勢するように構成された、機械的スペーサーを更に含む、請求項６に記載のフィールド装置。
14. 前記機械的スペーサーは、外形化されたバネである、請求項１３に記載のフィールド装置。
15. 前記外形化されたバネが、前記シースの外径と係合するように構成された直径を有する一対の端部を有し、前記外形化されたバネが、前記ボアの内径と係合するように構成された中間部分を有する、請求項１４に記載のフィールド装置。
16. 前記機械的スペーサーが、複数の長手方向の細長い薄板を有するバネ性バレルである、請求項１３に記載のフィールド装置。
17. 前記バネ性バレルが、第１の端部から第２の端部まで延伸される長手方向のスロットを含む、請求項１６に記載のフィールド装置。
18. 振動環境下におけるプロセス流体の温度を測定する方法であって、
    温度によって変化する電気抵抗を有するＲＴＤ素子を提供すること、
    前記ＲＴＤ素子をシース内に配置すること、前記シースが遠位端部を有すること、
    前記プロセス流体内に第１要素を提供すること、前記第１要素が共振周波数を有すること、
    前記ＲＴＤ素子が、前記シース内で、共振周波数における振動の振幅が減少した位置に前記ＲＴＤ素子が配置されるように選択された距離だけ、前記遠位端部から前記ＲＴＤ素子が離間されること、
    を含む、方法。
19. 前記遠位端部から前記ＲＴＤ素子が離間されることが、前記シースに、シース延伸部を取り付けること、によって実施される、請求項１８に記載の方法。
20. 測定されたプロセス流体の温度を使用して、プロセス流体の流量の測定を提供すること、を更に含む、請求項１８に記載の方法。
21. プロセス流体の温度の指示値を提供すること、を更に含む、請求項１８に記載の方法。

Images