JP5616057B2 - プロセストランスミッタ分離アセンブリ - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は、工業用プロセス監視制御システムで用いられるタイプのプロセス制御トランスミッタに関する。より具体的には、本発明は、高温環境でプロセス変数を測定するトランスミッタに関する。

発明の背景
プロセス監視制御システムは、工業用プロセスの動作を監視及び制御するために用いられる。工業用プロセスは、さまざまな製品、たとえば精油、薬剤、紙、食品等を生産する製造において用いられる。大規模な実施では、これらのプロセスは、所望のパラメータ内で動作させるために、監視されて制御される必要がある。

「トランスミッタ」は、プロセス機器に結合し、プロセス変数を感知するために用いられる装置を記述するために用いられる用語となっている。プロセス変数の例は、圧力、温度、流量他を含む。往々にして、トランスミッタは、離隔した場所に（すなわち、「フィールド」に）設置され、中枢に位置付けられた制御室に、感知されたプロセス変数を返信する。有線及び無線通信の両方を含むさまざまな技術を用いて、プロセス変数を送信する。一つの一般的な有線通信技術は、２線式プロセス制御ループとして既知であり、一対のワイヤを用いて、情報を伝えることに加え、トランスミッタに電力を供給する。情報を送信するための一つの十分に確立された技術は、プロセス制御ループを通る電流レベルを、４ｍＡ〜２０ｍＡの間に制御することによるものである。４−２０ｍＡの範囲内の電流値は、プロセス変数の対応する値にマッピングすることができる。ディジタル通信プロトコルの例は、ディジタル信号がアナログ４−２０ｍＡ信号上に重畳されるＨＡＲＴ（登録商標）プロトコル、ディジタル通信のみを使用するフィールドバス（ＦＩＥＬＤＢＵＳ）プロトコル、プロフィバス（Ｐｒｏｆｉｂｕｓ）通信プロトコル、無線プロトコル又は他を含む。

トランスミッタの一つのタイプは、圧力トランスミッタである。一般に、圧力トランスミッタは、プロセスの流体の圧力を測定する任意のタイプのトランスミッタである。（流体という用語は、気体と液体の両方、及びそれらの組合せを含む。）圧力トランスミッタを用いて、差圧、絶対圧力又はゲージ圧力を含む圧力を直接測定することができる。さらに、既知の技術を用い、圧力トランスミッタを用いて、２点間のプロセス流体の圧力差に基づいてプロセス流体の流れを測定することができる。

一般的には、圧力トランスミッタは、分離システムを介してプロセス流体の圧力に結合する圧力センサを含む。分離システムは、たとえば、プロセス流体と物理的に接触する分離ダイヤフラムと、分離ダイヤフラムと圧力センサとの間に延びる分離封入液とを含むことができる。好ましくは、封入液は実質的に非圧縮性の流体、たとえば油を含む。プロセス流体が分離ダイヤフラムに圧力を加えると、加えられた圧力の変化は、ダイヤフラムを越え、分離液を介して、圧力センサに伝えられる。そのような分離システムは、圧力センサのデリケートな構成要素が、プロセス流体に直接曝されることを防止する。

いくつかのプロセス環境では、プロセス流体は、比較的高温を経験する場合がある。しかし、トランスミッタは、一般的には華氏２５０〜３００度の最高動作温度を有する。トランスミッタが高温に耐えられる場合であっても、極端な温度はやはり、圧力測定に誤りを引き起こす可能性がある。圧力トランスミッタの最高温度を超える温度を有するプロセスでは、トランスミッタ自体が、プロセス流体から離隔して配置され、長い毛細管を用いてプロセス流体に結合されなければならない。毛細管は、数フィート伸ばすことができ、分離液は管の中へ運ばれる。管の一端は、分離ダイヤフラムを介してプロセスに取り付けられ、管の他端は圧力トランスミッタに結合する。通常、この長い毛細管及び分離ダイヤフラムは、「リモートシール」と呼ばれる。

リモートシール構成を用いると、設備のコスト及び複雑さが増大し、圧力測定の精度が低下する。さらに、部品を追加することにより、装置が故障する可能性の別の原因がもたらされる。

発明の概要
プロセストランスミッタに接続し、プロセス流体の高温の影響を緩和するための分離アセンブリは、プロセス流体に接触するように構成された分離ダイヤフラムを有するプロセス継手面を含む。分離アセンブリは、プロセストランスミッタの圧力ポートに結合するように構成された圧力継手を有するトランスミッタ継手をさらに含む。分離液導管は、プロセス継手面とトランスミッタ継手との間に延び、プロセス継手に分離ダイヤフラムを結合させる分離液を運ぶ。

詳細な説明
図１は、従来技術のトランスミッタ分離アセンブリ１０の部分分解図である。アセンブリ１０は、ダイヤフラム１２及び１４（図示せず）を含み、差圧トランスミッタ２０に結合する。フランジ２２及び２４は、ボルト２６及びナット２８を用いて、ダイヤフラム１２及び１４上にボルト止めされる。Ｏリング３０が設けられて、継手をシーリングする。フランジ２２及び２４は、それぞれプロセス接続部４０及び４２を介して、プロセス配管に結合する。圧力トランスミッタ２０は、概ね同一平面に位置する２つの分離ダイヤフラム（図示せず）を含む。分離アセンブリ１０内部に保持された２つの導管（図示せず）は、トランスミッタ２０の分離ダイヤフラムの一つに、各ダイヤフラム１２及び１４を結合させる。図１に示す従来技術構成では、２つのダイヤフラム１２及び１４は、各々互いに向かい合う面を有し、異なる平行平面に位置する。一方、圧力トランスミッタ２０の２つの分離ダイヤフラムは、同一平面に位置する。したがって、トランスミッタ２０の分離ダイヤフラム構成に結合するように構成されたプロセス継手は、分離アセンブリ１０によって提供される向かい合う分離ダイヤフラム構成に適合しない。

図２Ａは、本発明のプロセストランスミッタ分離アセンブリ５２の第一の側平面図であり、２Ｂは第二の側平面図であり、図２Ｃは底面図であり、図２Ｄは平面図である。図２Ａ及び２Ｂでは、分離アセンブリ５２は、差圧プロセストランスミッタ５０に結合されて示されている。図１に示すプロセストランスミッタと同様に、トランスミッタ５０は、同一平面に位置する２つの分離ダイヤフラム（図示せず）を含む。トランスミッタ分離アセンブリ５２は、ボルト穴５６を通して延びるボルト５４によって、トランスミッタ５０に結合する。図２Ｄに示すように、分離アセンブリ５２は、圧力トランスミッタの分離ダイヤフラム６１及び６３に結合するように構成された第一の圧力継手６２及び第二の圧力継手６４を有するプロセス継手面６０を含む。圧力継手６２及び６４は、トランスミッタ５０の分離ダイヤフラムに対してシーリングするように構成されたプロセス継手面に、開口を含むことができる。

トランスミッタ継手面６０の向かい側は、図２Ｃに図示されたプロセス継手面７０である。プロセス継手面７０は、プロセス流体に接触するように構成された、第一の分離ダイヤフラム７２及び第二の分離ダイヤフラム７４含む。ボルト穴７６は、取り付けアセンブリに、分離ダイヤフラムアセンブリ５２を結合するために設けられる。

プロセス継手面７０はプロセスマウント８０上に保持され、トランスミッタ継手面６０はトランスミッタマウント８２上に保持される。継手面７０は、図２Ａに示すプロセス継手フランジ７１に取り付けるように構成される。延長セクション８４が、プロセス流体からトランスミッタへの熱又は熱エネルギの伝達を低減するように構成されることが理解されよう。延長セクション８４の具体的な寸法は、測定されるプロセス流体の特定のパラメータ（たとえば温度）に依存する。延長セクション８４は、マウント８０及び８２の間に延びる。導管８６及び８８は、仮想的に示される。導管８６は、分離ダイヤフラム７２と圧力継手６２との間に延びる。導管８８は、分離ダイヤフラム７４と圧力継手６４との間に延びる。導管８６及び８８は、分離液、たとえば実質的に非圧縮性である油で充填される。封入液は、分離アセンブリ５２がトランスミッタ５０に対してシーリングされた後に、図２ａに示す流体充填ポート９６及び９８を通して、導管８６及び８８内に導入される。プロセス圧力は、ダイヤフラム７２又は７４に加えられると、導管８６及び８８内の封入液を介して、各圧力継手６２及び６４に、またトランスミッタ５０の分離ダイヤフラム６１及び６３に伝達される。

図２Ａ〜２Ｄに示す構成では、圧力トランスミッタ分離アセンブリ５２の分離ダイヤフラム７２及び７４は、類似した構成、たとえばトランスミッタ５０の分離ダイヤフラムと同一平面に位置するように、またそれと同じ間隔及び寸法を有するように配置することができる。そのような構成により、圧力トランスミッタ５０に直接取り付けるように構成されたハードウェア、たとえば図３に示すような小型のオリフィスプレートアセンブリ１１８、又は図２Ａ及び２Ｂに示すようなフランジ７１をさらに用いて、いかなる変更もなく、分離アセンブリ５２のプロセス継手面７０に取り付けることができる。トランスミッタ５０への分離アセンブリ５２の結合は、任意の適切な技術、たとえば溶接又は他によることができる。また、一つの好ましい実施形態では、分離継手６２、６４は、分離ダイヤフラム７２、７４と平行な平面に位置することが理解されよう。

図４は、フランジ７１に結合されたトランスミッタ５０の別の例の実施形態の側面図であり、フランジ７１は、トランスミッタ５０の分離ダイヤフラム６１〜６３から離れて間隔を置かれた構成にある。図４の構成では、硬い分離アセンブリは必要とされない。代わりに、分離アセンブリは、トランスミッタフランジ１２４とプロセス継手フランジ７１との間に伸びる２つの可撓性の導管１２０及び１２２によって形成することができる。図４の構成では、導管は別個に通っているとして図示されている。しかし、類似の構成では、導管１２０及び１２２は、一緒に保持することができる。加えて、導管１２０及び１２２は、可撓性の支持構造で保持されて、さらなる強度を提供することができる。そのような構造によって取り付け構造の数が増大するが、これは、トランスミッタ５０が、プロセス継手フランジ７１に物理的に近接して位置付けられる必要がないためである。また、そのような構成は、高められた断熱性を提供することができる。

本発明はまた、分離アセンブリ、たとえば分離アセンブリ５２に結合されているときの圧力トランスミッタの温度特性化方法を含む。本方法によれば、アセンブリされたトランスミッタ５０及び分離アセンブリ５２は、一般にトランスミッタ５０単体とともに用いられる特性化手順を受ける。特性化手順では、分離ダイヤフラム６２及び６４にさまざまな圧力が加えられる一方で、アセンブリされたユニット（トランスミッタ５０及び分離アセンブリ５２）は、異なる温度に曝される。この特性化プロセス中、装置の出力が監視される。トランスミッタが、これらの異なる温度及び圧力を受けている間、実際の出力と予想される出力との間の比較を行うことができる。トランスミッタ内部で補正式を用いて、温度変化によって導入される誤差を補正することができる。たとえば、多項式を用いることができ、特性化プロセスを介して多項式の係数を決定することができる。

この方法により、アセンブリされたユニット全体（トランスミッタ５０及び分離アセンブリ５２）を、温度範囲全体にわたって特性化することが可能になる。一方、一般的なリモートシール型の構成では、アセンブリされたユニットは特性化できないが、これは、リモートシール／トランスミッタの組合せにおけるサイズの制約と、リモートシールが多くの場合トランスミッタ製造工場以外の場所でアセンブリされて充填されることとによる。したがって、リモートシールは、設置された後は再特性化されにくい。

動作中、トランスミッタ回路１００は、２線式プロセス制御ループ１０２に、圧力センサ１０４によって感知された圧力、温度センサ１０６によって感知された温度、及び補償係数１０８の関数として、圧力に関連する出力を提供する。補償係数１０９は、上記で述べた方法を用いて決定し、メモリ１１０に記憶することができる。これにより、トランスミッタ５０及び分離アセンブリ５２の温度の関数として、出力の温度補償が提供される。補償係数は、たとえば多項式の係数であることができる。

本発明の分離アセンブリは、任意のタイプの所望の封入液で充填することができる。たとえば、アセンブリが食品加工環境で用いられている場合、封入液は、無毒性材料、たとえば植物油にすることができる。分離アセンブリ中の封入液は、トランスミッタ５０の圧力センサに接触しないため、分離アセンブリ５０内の封入液は、特定の電気的な特性を有するものに限定されない。

好ましい実施形態を参照して本発明を説明してきたが、当業者においては、本発明の本質及び範囲から逸脱することなく、形態および及び詳細に変更を加えてもよいことが認識されよう。

従来技術のトランスミッタアセンブリの分解図である。 本発明の分離アセンブリを含む圧力トランスミッタの側平面図である。 図２Ａのアセンブリの別の側平面図である。 図２Ａ及び２Ｂの分離アセンブリの底面図である。 図２Ａ及び２Ｂの分離アセンブリの平面図である。 分離アセンブリを介して、小型オリフィスプレートアセンブリに結合されたトランスミッタの斜視図である。 可撓性の導管を用いる構成の斜視図である。

Claims (13)

1. プロセストランスミッタと接続し、プロセス流体の高温の影響を緩和するための分離アセンブリであって、
   第一の同一平面に延び、前記プロセス流体に接触するように構成された第一の分離ダイヤフラム及び第二の分離ダイヤフラムを有するプロセス継手面と、
   第二の同一平面に延び、前記プロセストランスミッタの第一の圧力ポートに結合するように構成された第一の圧力継手及び第二の圧力ポートに結合するように構成された第二の圧力継手を有するトランスミッタ継手面と、
   ここで、前記第一及び第二の圧力継手が前記プロセストランスミッタの第三及び第四の分離ダイヤフラムにそれぞれ結合するように構成されるものであり、
   前記プロセス継手面及び前記トランスミッタ継手面との間に並行に延びる第一の導管及び第二の導管であって、プロセス流体の熱伝導経路が前記プロセス継手面と前記トランスミッタ継手面との間で増大するように前記第一及び第二の分離ダイヤフラムを前記第一及び第二の圧力継手に接続させる、第一及び第二の導管と、
   加えられた圧力を前記第一及び第二の分離ダイヤフラムから前記第一及び第二の圧力継手へ伝達するように構成された、前記第一及び第二の導管内の分離封入液と、
   を含む分離アセンブリ。
2. 前記第一及び第二の導管が可撓性である、請求項１記載の分離アセンブリ。
3. 前記第一及び第二の導管が、延長セクション内で保持される、請求項１記載の分離アセンブリ。
4. 前記延長セクションが、プロセス流体から前記プロセストランスミッタへの熱エネルギの伝達を低下させて、プロセス流体の高温によるトランスミッタ動作の中断を防止するようなサイズにされる、請求項３記載の分離アセンブリ。
5. 前記第一の分離ダイヤフラムと、前記第一の圧力継手とが、平行平面に位置する、請求項１記載の分離アセンブリ。
6. 前記プロセス継手面の前記第一及び第二の分離ダイヤフラムのサイズ及び間隔が、前記プロセストランスミッタの前記第三及び第四の分離ダイヤフラムと同一のサイズ及び間隔を有する、請求項１記載の分離アセンブリ。
7. 圧力に接触するように構成されたトランスミッタの前記第三及び第四の分離ダイヤフラムを有し、前記第三及び第四の分離ダイヤフラムに加えられた圧力に関連する出力を有する圧力トランスミッタと、
   前記圧力トランスミッタの前記第三及び第四の分離ダイヤフラムに取り付けるように構成される、請求項１〜６の何れか１項記載の分離アセンブリであって、前記第一及び第二の分離ダイヤフラムがプロセス圧力に接触し、プロセス圧力を前記圧力トランスミッタの前記第三及び第四の分離ダイヤフラムに伝達するように構成された分離アセンブリと、を含み、
   圧力トランスミッタからの出力が、当該圧力トランスミッタ及び前記分離アセンブリの温度特性化に基づいて補償される、圧力トランスミッタアセンブリ。
8. 前記分離アセンブリが、前記第一及び第二の分離ダイヤフラムを保持するプロセス継手面と、圧力継手を保持するトランスミッタ継手面との間に延びる延長セクションを含み、前記延長セクションがその中に第一及び第二の導管を含む、請求項７記載の圧力トランスミッタアセンブリ。
9. プロセス流体と圧力トランスミッタとの間の熱伝達を低下させる方法であって、
   分離アセンブリのプロセス継手面において同一面上の第一及び第二の分離ダイヤフラムをプロセス圧力に接触させることと、
   前記圧力トランスミッタの第三及び第四の分離ダイヤフラムに結合するように構成された、分離アセンブリのトランスミッタ継手面において同一面上の第一及び第二の圧力継手を介して、前記圧力トランスミッタを前記分離アセンブリのトランスミッタ継手面に結合させることと、
   前記プロセス継手面の第一の分離ダイヤフラムにプロセス圧力を加え、分離アセンブリの第一の導管内の分離封入液及び前記第一の圧力継手を介して、前記圧力トランスミッタの第三の分離ダイヤフラムに、加えられた圧力を伝送することと、
   前記プロセス継手面の第二の分離ダイヤフラムにプロセス圧力を加え、分離アセンブリの前記第一の導管と並行する第二の導管内の分離封入液及び前記第二の圧力継手を介して、前記圧力トランスミッタの第四の分離ダイヤフラムに、加えられた圧力を伝送することと、
   を含む方法。
10. 前記分離アセンブリが、前記第一及び第二の分離ダイヤフラムを前記第一及び第二の圧力継手に接続させる第一及び第二の導管を含む延長セクションを含む、請求項９記載の方法。
11. 圧力トランスミッタに加えられ感知される差圧を、温度の関数として特性化する方法であって、
    トランスミッタ継手面を有する温度分離アセンブリを圧力トランスミッタに結合することと、
    前記温度分離アセンブリの同一平面上の第一及び第二の分離ダイヤフラムに差圧を加え、それにより、前記温度分離アセンブリの第一の導管及びそれに並行する第二の導管内の分離封入液、及び、前記圧力トランスミッタの第三及び第四の分離ダイヤフラムに結合するように構成される、前記トランスミッタ継手面において同一平面上の第一及び第二の圧力継手を介して、前記圧力トランスミッタの第三及び第四の分離ダイヤフラムに、加えられた差圧を伝えることにより、前記圧力トランスミッタの第三及び第四の分離ダイヤフラムに差圧を加えることと、
    前記圧力トランスミッタ及び前記温度分離アセンブリの温度を変えることと、
    前記圧力トランスミッタの出力を、加えられた差圧及び温度の関数として特性化することと、
    を含む方法。
12. 前記圧力トランスミッタのメモリに、差圧及び温度を前記圧力トランスミッタの出力と関連付ける特性化係数が記憶されることを含む、請求項１１記載の方法。
13. 前記特性化係数が多項式の係数を含む、請求項１２記載の方法。

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