JP5716011B2 - Ｒｆ空洞型プロセス流体センサ - Google Patents

Description

本発明は、流体処理に関し、特にプロセス流体の測定及び制御のための遠隔検知システムに関する。具体的に、本発明は消費電力及び通信に対する要求が重要な設計事項となる遠隔処理施設で用いる受動的検知システムに関する。

正確で精密な流体測定は、バルク流体の蓄積及び搬送、飲食物の調製、化学物質及び薬剤の製造、水及び空気の配分、環境制御、農業、炭化水素抽出、及び燃料精製に加え、熱可塑性プラスチック、薄膜、接着剤、樹脂、及び他の流動性物質を利用した製造プロセスの分野を含む広い範囲の処理用途に不可欠である。これらの用途の多くは、遠隔地、隔離地域、若しくは出入り制限地域、または処理環境において高温、極圧、爆発性雰囲気、腐食剤、及び他の有害な状態に曝される処理環境となる場所へのセンサーの配置が求められる。

これらの用途において、消費電力及び通信に対する要求はシステムコストに影響を与えうるものであり、全体的なシステム設計に制限を課す可能性がある。コスト面で効果が得られるようにこれらの消費電力及び通信に配慮がなされると共に、遠隔地、出入り制限地域、及び有害な様々な作業環境に適した遠隔検知システムが依然として求められている。

本発明はプロセス流体パラメータを測定するための遠隔システムに関する。前記遠隔システムは、中心共振周波数で共振する空洞と、前記中心共振周波数を調整する同調器と、信号結合器とを備える。前記空洞は、プロセス流体との熱力学的（圧力的または熱的）接触に応じてシフトする共振周波数を有した導波管またはＲＦ空洞共振器を有する。前記同調器は前記空洞に結合されており、前記空洞の有効共振長を調整することによって前記共振周波数を調整する。前記信号結合器も前記空洞に結合されており、到達した問い合わせ信号が調整され、シフトした共振周波数に整合すると、エコーを送信するように構成される。

プロセス流体計測のための遠隔検知システムを無線式の形態で示す部分破断概略図である。 図１の遠隔検知システムを有線式の形態で示す部分破断概略図である。 有線センサ及び無線センサの両方を用いる形態で図１に代えて遠隔検知システムを示す部分破断概略図である。 円筒状の空洞共振器を有する無線式の形態における図１のシステムのためのリモートセンサの斜視図である。 長手方向で異なる縦横比を有する有線式の形態におけるリモートセンサを図３Ａに代えて示す斜視図である。 図１の遠隔検知システムのための直方体状の共振体の斜視図である。 断面縦横比を任意とした直方体状の共振体を図４Ａに代えて示す斜視図である。

図１は、プロセス流体測定のための遠隔検知システム１０を無線式の実施形態で示す部分破断概略図である。遠隔検知システム１０は、通信器１１及び空洞型プロセス流体センサ１２を備え、当該空洞型プロセス流体センサ１２は、リザーバ１４内のプロセス流体１３と熱力学的に接触する。この無線式の実施形態において、通信器１１及び空洞型プロセス流体センサ１２は、通信器１１から空洞型プロセス流体センサ１２に伝播するＲＦ（無線周波数）問い合わせ信号１５Ａ、及び空洞型プロセス流体センサ１２から通信器１１に伝播するＲＦ応答信号１５Ｂを介して無線リンクを形成する。

通信器１１は、マイクロプロセッサタイプのコントローラ１７（点線で示す）を有するハウジング１６、信号送信素子１８、及び信号受信素子１９を備える。ハウジング１６は、アルミニウム、鋼鉄、ステンレス鋼、若しくは他の金属等の頑丈で耐久性があり、機械加工できる材料や、ＰＶＣプラスチック若しくはＡＢＳプラスチックのような耐久性のある高分子材料、またはそれらを組み合わせて形成される。ハウジング１６は、いくつかの側壁、端壁、カバープレート、及び他の構造体で成形され、溶接、ねじ、またはボルト等の機械的手段によって組み立てられる。ハウジング１６は、マイクロプロセッサタイプのコントローラ１７及び通信器１１における他の内部部品を保護する囲いを形成し、送信素子１８及び受信素子１９を含む外部部品のための取付体を備える。また、ハウジング１６は、漏れや腐食材または爆発性材料から内部を保護する流体シール及び圧力シールが形成されているのが一般的である。

コントローラ１７は、送信素子１８及び受信素子１９の作動を含む通信器１１の通信、制御、及び処理を行う。通信器１１と、プロセスモニタ制御部及びプロセスシステム制御部２０との間の通信は、ループ回線または電力・データバス、赤外線（ＩＲ）、光学システムまたはＲＦシステム、またはこれらの組み合わせ等の種々のハードウエア及び無線接続を介して行われる。また、プロセス通信は、標準アナログプロトコル（４〜２０mA）、ＨＡＲＴ（登録商標）のようなハイブリッドアナログ−デジタルプロトコル、及びＦｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｆｉｅｌｄｂｕｓ（商標）、ＰＲＯＦＩ ＢＵＳ（登録商標）／ＰＲＯＦＩ ＮＥＴ（登録商標）プロトコル等のデジタルプロトコルを含む様々なコマンドや制御プロトコルを利用するが、これらに限られるものではない。これらの代表的な通信システムを利用するタイプの通信器及びその他のフィールド機器は、例えばエマーソンプロセスマネジメント社に所属するミネソタ州チャンハッセンのローズマウント社から入手可能である。

図１の無線式の実施形態において、送信素子１８は、無線式のＲＦ問い合わせ信号１５Ａを空洞型プロセス流体センサ１２に送信するためのＲＦ送信アンテナを備え、受信素子１９は、空洞型プロセス流体センサ１２からの無線式のＲＦ応答信号１５Ｂを受信するためのＲＦ受信アンテナを備える。いくつかの実施形態において、図１に示すように、送信素子１８及び受信素子１９は別個のものであり、他の実施形態において送信素子１８及び受信素子１９は、送信（信号送信）及び受信（信号取得または信号収集）の両方の機能を有するトランシーバ装置に一体化される。

ＲＦ問い合わせ信号１５Ａ及びＲＦ応答信号１５Ｂは、マイクロ波、短波無線信号、高周波無線信号、及び極超短波無線信号を含む広い範囲の周波数及び波長帯をカバーする。代表的な実施形態において、ＲＦ問い合わせ信号１５Ａ及びＲＦ応答信号１５Ｂは約３００ＭＨｚから約３０ＧＨｚまでの周波数にわたって設定可能であり、これは約１ｃｍ〜約１ｍの真空波長に相当する。範囲を拡張した実施形態では、ＲＦ問い合わせ信号１５Ａ及びＲＦ応答信号１５Ｂが、約３０ＭＨｚ〜約３００ＧＨｚの周波数、及び約１ｍｍ未満〜約１０ｍより長い真空波長にわたって設定可能である。

空洞型プロセス流体センサ１２はプロセス流体測定のための空洞型センサであり、空洞共振器２１、信号結合器２２、及び同調器２３を備える。空洞型プロセス流体センサ１２は、例えばリサーバ１４内で少なくとも部分的に空洞型プロセス流体センサ１２を流体内に位置させるセンサ取付台２４を用い、空洞共振器２１がプロセス流体１３と熱力学的に接触する。

プロセス流体１３は、全般にリザーバ１４に貯蔵された水、アンモニア、化学溶剤若しくは他の化学溶液、または液体炭化水素燃料等のバルク液体である。代替の実施形態において、リザーバ１４はオイル貯蔵ドームまたは他の天然貯水池であり、この場合、リザーバ１４内の空洞型プロセス流体センサ１２は、掘り下げ式を採用するために有線式の形態（図２Ａを参照）で用いられる。さらなる実施形態において、リザーバ１４は圧力容器、処理容器、流体導管、送り管、または流体抽出の貯蔵、運搬、若しくは処理システムといった構成要素であり、プロセス流体１３は液状、ガス状、または多相構成である。

無線式の形態において、リザーバ１４はプラスチックまたは他の高分子材料のようにＲＦ信号を比較的透過できる材料で形成される場合がある。このような実施形態において、図１に示すように、ＲＦ問い合わせ信号１５Ａ及びＲＦ応答信号１５Ｂはリザーバ１４の壁を通過して伝播する。これに代えて、リザーバ１４に、１つ以上のＲＦ透過窓２５を設け、このＲＦ透過窓２５を送信器１１及び１つ以上の空洞型プロセス流体センサ１２間の無線ＲＦ通信が可能となる位置に配置してもよい。

空洞型プロセス流体センサ１２とプロセス流体との間の熱力学的接触は熱による接触及び圧力による接触の両方を含むので、空洞型プロセス流体センサ１２は空洞共振器２１におけるプロセス流体１３の圧力状態及び熱状態の影響を受ける。いくつかの実施形態において、空洞型プロセス流体センサ１２及びプロセス流体１３間の熱力学的接触により圧力差を検知することも可能であり、空洞型プロセス流体センサ１２は空洞共振器２１に影響する、流量によって生じる差圧を含む空洞共振器２１内の圧力差を検出する。

各空洞型プロセス流体センサ１２は、空洞共振器２１の形状特性に基づく中心共振周波数を有する。これらの形状特性は、例えば有効共振長によって表される。空洞型プロセス流体センサ１２は、プロセス流体１３に熱力学的な接触状態に置かれると有効共振長が変化するので、中心共振周波数はプロセス流体の熱力学的状態に応じて変化する。具体的には、有効共振長及び中心共振周波数は、空洞共振器２１に接するまたは近傍の圧力、温度、及び流速に応じてシフトまたは変化する。

一実施形態において、例えば空洞型プロセス流体センサ１２はレベルセンサからなり、プロセス流体１３の局所的な絶対圧またはゲージ圧力に応じて空洞共振器２１の有効共振長がシフトする。この場合圧力は、密度、空洞型プロセス流体センサ１２の高さに対する相対的な流体の深さｄ、及び外部の超過圧力の関数となる。別の実施形態において、空洞共振器２１の形状は差圧に応じて、またはプロセス流体１３の温度または流速に応じて変化する。

対象となるプロセス流体パラメータを測定するために、通信器１１は空洞共振器２１の中心共振周波数の前後に規定された周波数範囲にわたってＲＦ問い合わせ信号１５Ａを走査する。信号結合器２２はＲＦ問い合わせ信号１５Ａを受信し、空洞共振器２１に信号エネルギーを送信する。ＲＦ問い合わせ信号（またはサンプリング信号）１５Ａとシフトした共振周波数とが一致すると、空洞型プロセス流体センサ１２は空洞共振器２１内で増大する共振電磁エネルギーで駆動される。空洞共振器２１は吸収を低減するために高Ｑシステム（high-Q system）として構成されているので、入力エネルギーの大部分は信号結合器２２を介して再送信され、エコー信号（またはＲＦ応答信号）１５Ｂを生成する。従って、信号結合器２２は空洞共振器２１をＲＦ問い合わせ信号（サンプリング信号）１５Ａの電磁場と結合させ、共振状態での散乱によってＲＦ応答信号（エコー信号）１５Ｂを生成する。

図１に示すように、ＲＦ問い合わせ信号１５Ａ及びＲＦ応答信号１５Ｂは、通信器１１と空洞型プロセス流体センサ１２とを結ぶ大まかな方向に沿って伝播するという特定の意味で指向性を有している。別の実施形態において、通信器１１及び空洞型プロセス流体センサ１２は双極の放射電磁場を生成し、放射電磁場でのＲＦ問い合わせ信号１５Ａ及びＲＦ応答信号１５Ｂは、アンテナ１９、２３の周囲に略回転対称である。さらなる実施形態において、ＲＦ問い合わせ信号１５Ａ及びＲＦ応答信号１５Ｂは、実質的に等方性の放射電磁場によって特徴づけられる。代わりに、ＲＦ問い合わせ信号１５Ａ及びＲＦ応答信号１５Ｂは、図２Ａ、図２Ｂに関して以下に述べる環境を介して全体的に伝送されるのではなく、ケーブルまたは他の導電体で伝送される。

応答信号、即ち散乱されたエコー信号が観測されるまで問い合わせ信号を走査することによって、通信器１１は空洞型プロセス流体センサ１２のシフトした共振周波数を特定する。シフトした共振周波数は、空洞共振器２１の有効共振長によって定まり、本実施形態ではプロセス流体１３との熱力学的な接触によって定まる。従って、シフトした共振周波数は、圧力、温度、流速、及びプロセス流体１３を表す他のプロセス変数の関数となる。

図１は遠隔検知システム１０の多くの利点を図示する。まず、プロセス流体１３との熱力学的な接触に対する空洞共振器２１の形状的な応答により、空洞型プロセス流体センサ１２は圧力、温度、流量、及び他のプロセス変数または流体パラメータに対して直接反応する。これは、周波数と空洞形状との直接的な関係に基づかずに、間接的な熱的効果及び機械的効果に依存する圧電素子、Ｌ−Ｃ回路またはＬ−Ｒ−Ｃ回路、及び他のデバイスによる電気機械式圧力変換器や共振回路とは相違するものである。

加えて、空洞型プロセス流体センサ１２及び空洞共振器２１は、音響共振または機械的共振ではなく電磁共振の原理で作動する。これは、表面弾性波（ＳＡＷ）センサ、音響ひずみセンサ、及び弾性境界波技術とは別のものである。さらに、空洞型プロセス流体センサ１２は電力供給を必要としない。むしろ、通信器１１はＲＦ問い合わせ信号１５Ａを介して空洞型プロセス流体センサ１２に応答信号を送信させ、共振が発生すると、空洞型プロセス流体センサ１２は付加的な電力を供給することなく、単に問い合わせ信号を反射または散乱させてエコー信号、即ちＲＦ応答信号１５Ｂを生成する。次に通信器１１は、エコー信号１５Ｂに基づいて関連するプロセスパラメータを測定する。このとき放散される共振周波数は、空洞共振器２１の形状的な応答特性に基づくプロセス流体１３の圧力、温度、及び流量の関数となる。

図２Ａは有線式の形態として遠隔検知システム１０を示す部分破断概略図である。この実施形態において、通信器１１及び空洞型プロセス流体センサ１２はＲＦケーブル２５（部分的に点線で示す）を介して問い合わせ信号及び応答信号を伝達する。これは図１の無線式の形態と異なっている。無線式の形態では問い合わせ信号及び応答信号がブロードキャスト領域を自由に伝播し、プロセス流体１３及び遠隔検知システム１０の周囲環境を介して通信器１１及び空洞型プロセス流体センサ１２間を伝播する。

通信器１１の有線式の形態は、上述した図１の独立した送信素子１８及び受信素子１９の機能を一体化し、ケーブル２５と電気的及び機械的結合を行うケーブルコネクタ付きトランシーバ２６を備える。これらの実施形態において、空洞型プロセス流体センサ１２の信号結合器２２はケーブルコネクタを備える。このケーブルコネクタは、自由に伝播する（無線）ブロードキャスト領域ではなく、ケーブル２５内の電磁場に空洞共振器２１を結合することによって、図１のアンテナ型結合器に類似した機能を発揮する。

ケーブル２５は、通信器１１及び空洞型プロセス流体センサ１２間で伝達する問い合わせ及び応答信号の周波数範囲で、低インピーダンスを有した同軸ケーブル、導波管、高周波伝送線または類似する構造体からなる。典型的な実施形態において、エコー信号のＳ／Ｎ比を増大させるために、ケーブル２５は外部放射線から絶縁及びシールドされる。

図２Ａの具体的な実施形態において、ケーブル２５は、リザーバ１４の圧力シールまたは流体シールを有する開口部２７から処理構造体となるリザーバ１４内に入る。これに代えて開口部２７を開放状態とし、圧力抜きまたは流体抜きとしてもよい。

有線式の形態の遠隔検知システム１０は、掘り下げ式の穴への適用を含むシールドされたセンサ配置に適しており、プロセス流体１３またはリザーバ１４が自由に伝播する問い合わせ信号及び応答信号を減衰させる可能性のある形態に適している。また、有線式の形態は、自由に伝播するＲＦ問い合わせ信号及び応答信号が干渉を引き起こしたり、干渉を受けたり、または安全上或いはセキュリティ上の問題を生じる虞のあるＲＦ雑音を伴い、通信が不安定な作動環境に適している。

図２Ｂは、有線式の空洞型プロセス流体センサ１２と無線式の空洞型プロセス流体センサ１２との両方を利用する実施形態として、代替の遠隔検知システム１０を示す部分破断概略図である。この実施形態において通信器１１は、信号ケーブル２５と、自由に伝播する送信信号及び受信信号との組み合わせを用いて空洞型プロセス流体センサ１２と通信する。空洞型プロセス流体センサ１２は流体１３内にセンサ取付台２４を介して支持されるか、または信号ケーブル２５を介して吊り下げられる。

いくつかの実施形態において、通信器１１は第２アンテナ２８を介して問い合わせ信号を送信し、応答信号を受信する。第２アンテナ２８は送信機能および受信機能が一体化された無線通信アンテナであり、処理構造体となるリザーバ１４内に設けられている。リザーバ１４が金属のようなＲＦ不透過性の部材で形成される場合に、第２アンテナ２８は図１のＲＦ透過窓２５のような信号通信の代替手段を備える。

図２Ｂに図示するように、信号ケーブル２５は直列構成（デイジーチェーン方式）部分と並列構成部分の両方で表され、信号ケーブル２５のいくつかの部分はいくつもの様々な空洞型プロセス流体センサ１２への通信経路となり、信号ケーブル２５の別の部分は単一の空洞型プロセス流体センサ１２用に設けられる。さらなる実施形態において、遠隔検知システム１０は並列センサ構成と直列センサ構成とを組み合わせて利用し、ケーブル（伝送線）による問い合わせ信号及び応答信号と、自由に伝播する（ブロードキャスト）問い合わせ信号及び応答信号とを組み合わせて利用する。

いくつもの様々な空洞型プロセス流体センサ１２間を識別するために、通信器１１は、時間差に基づく時間的推移の測定または問い合わせ信号と応答信号との間の時間差、即ち遅延に基づくタイムシフト測定、即ちΔＴ測定を利用することがある。この遅延ΔＴは、通信器１１及び空洞型プロセス流体センサ１２間における往復の信号伝送の経路長（Ｓ）及び信号伝播の速度（ｖ）に依存し、下記式（１）で表される。

大気や他の比較的希薄な媒体（即ち、大気に近い屈折率ｎを有する）において自由に伝播する電磁波の場合、速度ｖは真空中の光速に近づき（ｖ≒ｃ）、経路長Ｓは通信器１１及び空洞型プロセス流体センサ１２間の見通し線の距離の約２倍となる。しかしながら、通常、信号速度ｖは屈折率に依存し（即ち、ｖ＝ｃ／ｎ）、屈折率は信号周波数に依存する。加えて、経路長Ｓは見通し線ではなく信号ケーブルによって規定される場合がある。

これらのより一般的な構成を考慮し、経路長Ｓは実際の信号経路にわたる屈折率の積分により定義される。即ち、下記式（２）によって表される。

式（２）中、Ｐは通信器１１から空洞型プロセス流体センサ１２まで、及び空洞型プロセス流体センサ１２から通信器１１まで戻る閉ループ信号経路である。この閉ループ信号経路は、信号ケーブル２５と、プロセス流体１３、処理構造体であるリザーバ１４、または遠隔検知システム１０を取り巻く周囲環境の他の部品を介して自由に伝播する（通信）セグメントとのあらゆる組み合わせを含む。

いくつかの実施形態において、各空洞型プロセス流体センサ１２はそれぞれ特有な有効経路長及びこれに対応する遅延時間ΔＴによって特徴づけられ、通信器１１はこの遅延時間に基づいてセンサを識別する。他の実施形態において、空洞型プロセス流体センサは以下により詳細に説明する空洞同調によっても識別される。従って典型的な実施形態において、通信機１１は時間遅延と空洞同調との組み合わせにより、独立した、複数の、相互に補完するセンサの識別手段を構成して個々の空洞型プロセス流体センサ１２を識別する。

図２Ｂもまた、空洞型プロセス流体センサ１２が水平方向、垂直方向、及びその中間的な方向の様々な向きに構成可能であることを示している。水平方向の実施形態において、空洞型プロセス流体センサ１２の両端部は、プロセス流体１３の深さｄに応じた基本的に同一の平均圧力の影響を受ける。斜角または直角の配置の場合、空洞共振器におけるプロセス流体１３の様々な深さに応じた圧力差の影響がある。

図３Ａ及び図３Ｂは、円筒状の形態の空洞共振器２１を表すリモートセンサ１２の斜視図である。リモートセンサ１２は空洞共振器２１、信号結合器２２、及び同調器２３を備えている。図３Ａは無線式の形態を示しており、信号結合器２２はアンテナを備えている。図３Ｂは有線式の形態を示しており、信号結合器２２はケーブルコネクタを備え、空洞共振器２１は縦横比が異なっている。

空洞共振器２１は、互いに対向する第１反射板（反射する端壁）３２及び第２反射板３３を有する空洞体、即ち導波路体３１を備える。いくつかの実施形態において、空洞共振器２１は真空の空洞共振器であるが、本実施形態では、空気で充填された空洞共振器または他の比較的低密度の流体で充填された空洞共振器を有することにより、空洞内の屈折率は略均一となっている（即ち、ｎ≒１）。これらの実施形態において、空洞共振器２１は導波路体３１と端壁となる反射板３２、３３との間の境界部分、並びに信号結合器２２及び同調器２３の部分には、流体が流入したり流出したりしないように圧力シールを保持している。

空洞共振器２１は、強いピークの共振点を包含する周波数領域で良好な導電性及び低損失の反射が得られるように構成されている。即ち、空洞共振器２１は高いＱ値を有する空洞共振器であり、空洞共振器のＱ値（または特性）は以下に定義される。

端壁となる反射板３２、３３は、銅、鋼鉄、アルミニウムのような導電性と電波反射特性とを有した金属または合金で形成される。いくつかの実施形態において、導電率及び反射率を増加するために、反射板３２、３３は銀のような低抵抗率のコーティングを有する高度に研磨された部材で形成される。

さらなる実施形態において、端壁となる反射板３２、３３は、銀や金のような高導電性と高反射率とを有した材料を含む金属または合金で被覆、またはめっきされたプラスチック若しくは他の耐久性を有する重合体等の部材で形成される。これらの実施形態において、端壁となる反射板３２（及び空洞型プロセス流体センサ１２の他の部品）の材料は、圧力の作用に対する独立した感度を増大させるために、熱膨張の影響を低減するように選択されることがある。低い熱膨張係数を有する適切な部材は、フロートガラス及び光学ガラスセラミックを含み、そのいくつかは略０となる熱膨張係数を有する。

導波路体３１が対向する反射板３２、３３の間に配置されることによって、空洞共振器２１は有効な長手方向の共振長さＬを有する電磁気的な導波管を規定する。例えば、図３Ａ及び図３Ｂの実施形態において、長さＬは軸の中心線Ｃ_Lに沿って反射板２２、２３間で規定される。

有効な長手方向の共振長さにより、縦モードにおける中心共振周波数の最小値が定まる。即ち、下記式（３）によって表される。

式（３）中、ｎは屈折率である。屈折率は周波数ｆの関数であるが、共振周波数の周辺領域における周波数への依存度は低いのが一般的である。

空洞型プロセス流体センサ１２はプロセス流体と熱力学的に接触するので、空洞共振器２１は圧力、温度、及び流動の影響を受けやすく、空洞共振器２１の形状が変化したり、中心共振周波数がシフトしたりする。即ち、空洞共振器２１の中心共振周波数はプロセス流体に対する熱力学的な接触に関連して変化する。

空洞共振器２１が流体に圧力により接触すると、第１端壁である第１反射板３２は圧力Ｐ₁を受け、第２端壁である第２反射板３３は圧力Ｐ₂を受ける。結果として、端壁である反射板３２、３３は収縮し、有効な共振長を変化させてプロセス流体内の圧力の変化に対応して中心共振周波数をシフトさせる。

いくつかの実施形態において、空洞型プロセス流体センサ１２は略水平方向に指向されているので、圧力Ｐ₁、Ｐ₂は等しく、空洞型プロセス流体センサ１２は絶対圧を感知する。垂直方向や斜めに指向された別の実施形態の場合、圧力Ｐ₁と圧力Ｐ₂とは異なり、空洞型プロセス流体センサ１２は差圧に感知する。さらなる実施形態において、端壁である反射板の一方または両方が、外部の基準圧力に接する場合、空洞型プロセス流体センサ１２はゲージ圧力または絶対圧を感知する。

さらなる実施形態では、導波路体３１に沿って流体が流れる。このような実施形態において、空洞型プロセス流体センサ１２はベルヌーイ効果や、端壁である反射板３２、３３間の差圧に起因した他の流量依存特性を感知する。感知性能を改善するために、空洞型プロセス流体センサ１２は差圧及び流動感度を向上するために構成された流動制限部または流動減縮部に設けられる。

一般に、空洞共振器２１及び流体１３間の熱力学的接触は熱接触を含み、空洞共振器２１はプロセス流体の温度に近付いていく傾向にある。この場合、長手方向の共振長さ（Ｌ）及び半径（ｒ）は、いずれも温度変化に対応して付加的な影響をもたらして共振周波数をシフトする。

種々の圧力、温度、及び流動依存特性の大きさは、空洞共振器２１の形状及び配向と、導波路体３１や端壁となる反射板３２、３３の熱膨張係数とによって規定される。例えば、典型的な密封型の実施形態の場合、圧力の影響と比較して熱膨張の影響は比較的小さく、空洞型プロセス流体センサ１２は実質的に圧力センサとして作動する。また、熱膨張係数が０の材料など非常に小さい熱膨張係数を有する材料を用いた実施形態の場合、熱的な作用は低減、または実質的に無視することができる。一方、密封されていない実施形態の場合、流体は自由に空洞共振器２１へ流入したり流出したりするので、内圧及び外圧は平衡状態となる。このような実施形態の場合、圧力は空洞共振器の形状にあまり影響せず、空洞型プロセス流体センサ１２は実質的に温度センサとして作動する。

空洞共振器２１の共振条件は、プロセス流体との熱力学的接触によってシフトするような中心共振周波数ｆ₀によって規定されると共に、空洞共振器２１が共振振動を生じようとする周波数ｆ₀周辺の範囲を規定する共振周波数幅（Δｆ）によって規定される。共振周波数の全幅（Δｆ）によって中心共振周波数（ｆ₀）を除した比率は、空洞共振器の線質係数を規定する。即ち、下記式（４）で表される。

式（４）中、Δｆは最大エネルギーの半値で中心共振周波数ｆ₀をまたぐ領域として定義されるような半値幅（ＦＷＨＭ）である。

一般的に、発振器のエネルギーは振幅の二乗となるので、共振周波数の幅Δｆは、最大振幅の二乗の半分の値における共振周波数の全幅となる。さらに、空洞共振器２１のような高いＱ値の空洞共振器に関し、Ｑ値は１周期当たりの消散エネルギー（ΔＥ）に対する蓄積エネルギー（Ｅ₀）の比率の略２π倍である。従って、下記式（５）で表される。

空洞共振器２１は高いＱ値を有するので、問い合わせ信号が高い精度で中心共振周波数ｆ₀に整合するまで共振を引き起こさない。これにより中心共振周波数ｆ₀及びプロセス流体の熱力学的特性（例えば圧力、温度、または流動）の正確な測定を可能にする。また、高いＱ値の空洞共振器は低いエネルギー散逸（低損失）を示すので、より大きなエネルギーが応答信号即ち「エコー」として利用できる。

空洞型プロセス流体センサ１２は共振を引き起こすと、空洞共振器２１内に蓄積される電磁エネルギーはかなり増大する。このエネルギーの一部は、信号結合器２２、並びに信号ケーブル（例えばケーブルコネクタを介して）により、または自由に伝播する電磁波（例えばアンテナを介して）の形式により電磁場内へ送り返される。共振の際には（入射された問い合わせ信号が共振周波数に一致すると）、空洞共振器２１は強い散乱体として作用し、問い合わせ信号を反射して送信器に戻す。

散乱されたＲＦエネルギーは、空洞共振器が共振すると（即ち、問い合わせ信号がシフトした共振周波数に一致すると）、エコー即ち応答信号を生成する。問い合わせ信号の周波数が中心共振周波数ｆ₀のＦＷＨＭ内、またはＦＷＨＭの数倍の範囲内に入ると、空洞体は一般的に共振する。入射する問い合わせ信号がこの範囲内にならないと、空洞体は共振から脱し（即ち、問い合わせ信号はシフトした共振周波数と一致しなくなり）、散乱は著しく減少する。即ち、共振しない状態では、エコー即ち応答信号は減衰するか、実質的に存在しなくなる（即ち、通常では検出できない）。

図４Ａ及び図４Ｂは、直方体状の空洞共振器を代わりに用いた実施形態における空洞型プロセス流体センサ１２の斜視図である。図４Ａは全般に正方形の横断面を有し、断面の縦横比が約１：１の空洞共振器２１を示している。図４Ｂは長方形の横断面を有し、任意の縦横比を有する空洞共振器２１を示している。

図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａ、及び図４Ｂは、種々の空洞共振器の形状の広範囲な例であり、アンテナコネクタまたはケーブルコネクタ２２、及び波長調整器である周波数同調器２３は、導波路体３１、または端壁となる反射板３２、３３に接続される。ここに示した円形及び四角形の横断面に加えて、導波路体３１は球状の形態、同軸状の形態、及び他のより一般的な導波管、共振器、及び空洞を有する形状とすることができ、球状の形態の場合、端壁となる反射板３２、３３は球体において径方向に対向する部分となる。

これらの実施形態のいくつかでは、反射板３２、３３及び導波路体３１は反射特性を有した材料からなる。これらの実施形態において、代表的な伝播モードは電気的横モード（ＴＥモード）及び磁気的横モード（ＴＭモード）であり、有効共鳴長さは多くの様々な形状因子に依存する。例えば、図４Ａ及び４Ｂの直方体の形状の場合、横モードでの中心共振周波数は、下記式（５）で表される。

式（６）中、Ｌ₁、Ｌ₂、及びＬ₃は順不同で空洞体の長さ、空洞体の幅、空洞体の高さであり、モード数ｎ₁、ｎ₂、及びｎ₃は、寸法Ｌ１、Ｌ２、及びＬ３に沿う半波長の数に相当する。

直方体の構成の場合、有効な共振長さは個々の長さＬ１、Ｌ２、及びＬ３と、伝播モードとによって決まり、下記式（６）で表される。

Ｌ₂及びＬ₃より十分に短い長さＬ₁（Ｌ₁≪Ｌ₂及びＬ₂≪Ｌ₃）を有する第１縦モード（ｎ₁＝１）の場合、式（６）はＬ≒Ｌ₁と変形できる。これは、上述したような２つの反射板を有する空洞体における縦モードと実質的に同様の結果となる。比較的大きな半径ｒを有する円筒状の空洞の場合、縦方向の共振長さは軸方向の長さＬに略等しくなる。

一方、縦方向でない振動の場合、共振長さは２つ以上の空洞寸法に依存するものとなり、関数形式は複雑なものとなりうる。それにもかかわらず、有効な共振長さは一様に最低周波数での共振（または他の関連するモード）の波長の半分で規定することができる。さらに、有効な共振長さは特有の関数形式に関わらず、依然として空洞の形状に依存する。従って、共振周波数のシフトは空洞形状に依存し、空洞形状はプロセス変数に依存することから、共振周波数のシフトからプロセス変数（圧力及び温度を含む）を測定することが可能となる。

同調器２３は、導波路体３１及び反射板３２、３３のうちの１つ以上の形状を変える可変同調器即ち波長シフト素子を備える。これは、熱力学的な作用とは関係なく空洞共振器２１の中心共振周波数を変更するものであって、これにより個々のセンサを識別することができる。

いくつかの実施形態において、同調器２３は有効な共振長さに変更することによって空洞共振器２１の中心共振周波数を調整するものであって、同調器２３は波長シフト装置となっている。他の実施形態において、同調器２３は共振のモード構成を変更するものであって、同調器２３はモードシフト装置となっている。一方、典型的な実施形態において、同調器２３は波長シフト機能及びモードシフト機能の両方を有する。

図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａ、及び図４Ｂのそれぞれの図に示すように、同調器２３は、柱状、管状、棒状、及び他の略円筒状の部材と、スクリーン、平板、壁、反射板、及び他の略平面の部材と、それらの複合体とを含む多くの様々な形状を有するが、これらに限定されるものではない。図４Ａに示すように、同調器２３は導波路体３１内で反射体または吸収体の方向または位置を調整することがあり、図４Ｂに示すように、反射板３２及び３３のうちの一方または両方の方向または位置を調整することがある。さらなる実施形態において、図３Ａ及び３Ｂに示すように、同調器２３はこれらの機能を組み合わせて有する。

一般に、同調器２３は多くの独立した空洞共振器２１を一連の周波数帯に調整することにより、これらの周波数帯がプロセス流体との熱力学的な接触と関連して実質的に重複しないようにしている。これにより、測定感度から切り離して空洞共振器の識別を行えるので、各空洞型プロセス流体センサ１２は個々の同調周波数を有し、各周波数帯におけるシフトからプロセスパラメータを測定する。これにより、同調器２３が一意的に定めた別個の、非重複の応答信号範囲または同調周波数帯によって複数の様々な空洞型プロセス流体センサ１２を識別することができる。別の実施形態において、個々のセンサは、上述したように遅延時間（ΔＴ）によっても識別するようにして、センサ識別の冗長手段を設ける。

好ましい実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明の趣旨及び範囲からそれることなく形状や詳細な構成について変形が可能であることは当業者に明らかである。

Claims (25)

1. プロセス流体パラメータを検出するための遠隔システムであって、
   プロセス流体と熱力学的に接触する空洞であって、当該空洞内の屈折率が略１となるように、当該空洞は真空または低密度の流体で満たされており、当該空洞は前記プロセス流体が流入しないようにシールされ、プロセス流体パラメータに応じて有効共振長が変化して、シフトした空洞周波数で共振するように構成された空洞と、
   前記空洞に連結され、前記空洞周波数を調整する同調器と、
   前記空洞に接続され、問い合わせ信号を受信して、前記問い合わせ信号が空洞周波数と整合するとエコー信号を伝達する信号結合器と、
   を備えることを特徴とする遠隔システム。
2. 前記プロセス流体パラメータは、圧力を含むことを特徴とする請求項１に記載の遠隔システム。
3. 前記問い合わせ信号を前記信号結合器へ伝送し、前記信号結合器から前記エコー信号を受信するように構成された通信器をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の遠隔システム。
4. 前記通信器は、前記エコー信号と関連づけて前記プロセス流体パラメータを測定するように構成されることを特徴とする請求項３に記載の遠隔システム。
5. 前記通信器は、前記エコー信号と関連づけて前記センサを識別するように構成されることを特徴とする請求項４に記載の遠隔システム。
6. 前記通信器は、前記問い合わせ信号と前記エコー信号との間の遅延時間と関連づけて前記センサを識別するように構成されることを特徴とする請求項５に記載の遠隔システム。
7. 前記通信器は、前記空洞にマイクロ波を伝送することによって前記問い合わせ信号を伝播するように構成されることを特徴とする請求項４に記載の遠隔システム。
8. 前記信号結合器は、前記マイクロ波を受信し、前記空洞へ前記マイクロ波を伝達するためのアンテナを備えることを特徴とする請求項７に記載の遠隔システム。
9. 前記通信器は、導電プロセス構造体内に形成された前記空洞に前記マイクロ波を送信するための第２アンテナを備えることを特徴とする請求項８に記載の遠隔システム。
10. 前記信号結合器は、前記空洞へ前記問い合わせ信号をケーブルから伝達し、前記空洞からのエコー信号をケーブルに伝達するために設けられたケーブルコネクタを備えることを特徴とする請求項４に記載の遠隔システム。
11. 前記空洞は、導電体で形成されることを特徴とする請求項１に記載の遠隔システム。
12. プロセス流体のリモートセンサであって、
    共振周波数が前記熱力学的接触の関数となるようにプロセス流体と熱力学的に接触し、前記プロセス流体が流入しないようにシールされた真空のＲＦ共振器と、
    前記ＲＦ共振器に接続された周波数同調器であって、前記ＲＦ共振器に設けられた反射板の位置を変化させて前記共振周波数が前記反射板の位置に関連付けられて、有効共振長を変化させる周波数同調器と、
    前記共振周波数で共振すると応答信号を生成するよう、ＲＦ信号に前記ＲＦ共振器を接続する結合器と、
    を備えることを特徴とするリモートセンサ。
13. 前記共振周波数は、約１００ＭＨｚから約１００ＧＨｚの間であることを特徴とする請求項１２に記載のリモートセンサ。
14. 前記結合器は、ＲＦアンテナを備えることを特徴とする請求項１２に記載のリモートセンサ。
15. 前記結合器は、ＲＦケーブルコネクタを備えることを特徴とする請求項１２に記載のリモートセンサ。
16. 前記熱力学的接触は、圧力接触を含むことを特徴とする請求項１２に記載のリモートセンサ。
17. 前記圧力接触は、前記プロセス流体の流動に依存することを特徴とする請求項１６に記載のリモートセンサ。
18. 前記ＲＦ共振器は、略０の熱膨張係数を有する材料よりなることを特徴とする請求項１６に記載のリモートセンサ。
19. 前記熱力学的接触は、熱接触を含むことを特徴とする請求項１２に記載のリモートセンサ。
20. 前記周波数同調器が接続された前記ＲＦ共振器を複数備え、
    前記周波数同調器の共振周波数が前記反射板の位置に関連づけられて変化する周波数の範囲は、複数の前記ＲＦ共振器の各々の共振周波数の前記熱力学的接触に関連づけられて変化する周波数の範囲が、互いに重ならないように設定されていることを特徴とする請求項１２に記載のリモートセンサ。
21. プロセス流体の空洞センサであって、
    プロセス流体と熱力学的に接触する空洞であって、当該空洞内の屈折率が略１となるように、当該空洞は真空または低密度の流体で満たされており、当該空洞は前記プロセス流体が流入しないようにシールされ、対向する第１反射体及び第２反射体と、前記第１反射体と前記第２反射体との間に配置されて、前記第１反射体及び前記第２反射体間の空洞長を規定し、前記空洞長が前記プロセス流体との熱力学的接触と相関関係を有する導波管とを有する空洞と、
    前記空洞に結合された周波数同調器であって、前記導波管に結合された、熱力学的接触とは無関係に前記空洞長を調整して有効共振長を変化する波長調整器を有する周波数同調器と、
    前記空洞に結合された信号結合器であって、当該信号結合器は電磁場を前記導波管に結合させ、前記電磁場の波長が前記空洞長に一致すると、電磁場を強く散乱させる信号結合器と、
    を備えることを特徴とする空洞センサ。
22. 前記導波管は、約１ｍｍから約１ｍの間で空洞長を規定することを特徴とする請求項２１に記載の空洞センサ。
23. 前記空洞長は、長手方向の有効共振長であることを特徴とする請求項２１に記載の空洞センサ。
24. 前記空洞長は、幅方向の有効共振長であることを特徴とする請求項２１に記載の空洞センサ。
25. 前記信号結合器は、信号ケーブル内の電磁場に前記導波管を接続するためのケーブルコネクタを備えることを特徴とする請求項２１に記載の空洞センサ。
    
    
    

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