JP6294454B2 - 保護管挿入体 - Google Patents

Description

本発明は一般的にプロセス検知システム、より詳しくは工業プロセス監視システムにおいて、流体センサのためのセンサハウジングである保護管に関する。

導管を通じて流れるプロセス流体又は容器内に収容されたプロセス流体の種々の特定を検知し、そして、プロセス測定位置から遠く離れた制御、監視及び／又は安全システムに、そのプロセス特性に係る情報を送信するためには、複数の工業プロセス送信器及び複数のセンサアセンブリが使用されている。各プロセス送信器は、１つ以上のセンサ及び／又はアクチュエータアセンブリに接続されている。センサアセンブリは種々のプロセスパラメータを検知し、該プロセスパラメータは、圧力、温度、ｐＨ又は流量を含む。典型的には、プロセス送信器はセンサアセンブリにセンサワイヤを介して電気的に接続され、少なくとも１つのプロセスパラメータを反映した電流又は電圧のアナログセンサ出力信号を送信するために使用されている。各送信器はセンサ出力信号を読み込み、これら信号をプロセスパラメータのデジタル測定値に変換する。最後に、送信器は制御システムに情報を送信する。

プロセス流体の温度及び温度変化を検知する複数のセンサアセンブリは共通して、少なくとも１つの温度センサを含み、該温度センサは流体流内を延びる保護管内に収容されている。保護管はプロセス流体と物理的に接触し、流体と温度センサとの間で熱を効率的に伝達する一方、衝撃や腐食等の流体との直接の接触によってもたらされる物理的な損傷から温度センサを保護すべく構成されている。プロセス流体が流れる結果、保護管は時々振動し、熱的な障壁として働く傾向があり、該熱的な障壁はセンサアセンブリの熱的質量を増加させることでセンサ応答時間を長くする。幾つかのセンサアセンブリは、保護管と温度センサとの間の熱伝導を改善し、保護管の振動を保護且つ軽減するために鉱物油等の減衰流体を含んでいる。

本発明は温度検知システムに向けられ、該温度検知システムは、保護管、センサ及び固形の挿入体を備えている。保護管は流体流の検知領域内に延びている。センサは保護管内に収容されたプローブを有し、検知領域内の温度を検知する。固形の挿入体は保護管の先端部にてプローブのチップを取り外し可能に支持し且つ保護管とプローブとの間の熱的な接触を提供すべく構成されている。

プロセス監視又は制御システムの概略図である。 図１のプロセス監視又は制御システムの保護管及び温度プローブの概略断面図である。 図２の温度プローブのチップ及び保護管の第１実施形態を示す断面図である。 図２の温度プローブのチップ及び保護管の第２実施形態を示す断面図である。

図１はプロセスシステム１０の一実施形態を概略的に示し、該システムは工業用流体プロセスの監視及び／又は作動をなす。図示の実施形態において、プロセスシステム１０は、（プロセス送信器２４、送信ライン１４及び制御又は監視システム１６を備えた）プロセス測定システム１２、（フランジ接続部２０を備えた）プロセス配管１８、（温度センサ２８及び保護管３０を備えた）センサアセンブリ２２及びセンサワイヤ２６を含む。

プロセス配管１８は工業用流体プロセスのプロセス流Ｆを運ぶ。例えばプロセス配管１８は、オイルスラリーなどの粘性流体又は粘性の製工材料を運ぶべく構成された管又はダクトである。プロセス配管１８は少なくとも１つのフランジ接続部２０を含み、該フランジ接続部２０はフランジ取り付け式の機器の接続を容易にし、該機器はプロセス流Ｆの少なくとも１つの特性、例えば、温度、流量、圧力又はｐＨを測定する。

図示の実施形態において、フランジ接続部２０はセンサアセンブリ２２の取り付け点を提供する。センサアセンブリ２２はフランジ接続部２０に取り付いて、該フランジ接続部２０とともに流体シールを形成し、配管１８を貫通してプロセス流Ｆ内に延びている。センサアセンブリ２２は少なくとも１つの温度センサ２８を含み、該温度センサ２８は保護管３０内に収められたセンサプローブ（図２のプローブ４４参照、以下に後述する）を備えている。温度センサ２８は例えば、熱電対、抵抗温度検出器又はサーミスタである。温度センサ２８は、フランジ接続部２０に近接したプロセス流Ｆの少なくとも1つの温度又は温度変化を反映したプロセス信号を発生する。

保護管３０はプロセス流Ｆから温度センサ２８を保護し、温度センサ２８の損傷を阻止するとともに期待された寿命を長くする。プロセス流Ｆは例えば化学物質又は粒子を含み、これら化学物質又は粒子は温度センサ２８の作動を害するか、又は、その他の点で有害となる。保護管３０は、真鍮、鋼又は銅等の熱伝導性が高い金属で形成され、プロセス流Ｆから温度センサ２８に熱を効率的に伝達する。保護管３０は温度センサ２８とプロセス流Ｆとの直接的な接触を遮っているので、保護管３０は熱的な障壁として働き、該障壁は応答時間を長くし、そして、温度センサ２８から得られた測定値に誤差を潜在的にもたらす。このような影響は、図３，４に関して以下に後述するように、温度センサ２８と保護管３０の間の熱的な接触を改善することによって軽減される。

図示の実施形態において、プロセス測定システム１２はセンサアセンブリ２２の温度センサ２８にセンサワイヤ２６によって接続され、温度センサ２８からの信号を処理し、プロセス流Ｆの少なくとも１つのパラメータの測定値を発生する。センサワイヤ２６は例えば、温度センサ２８をプロセス送信器２４に電気的に接続する単一又は多重ワイヤの導電ラインである。プロセス送信器２４は信号を処理及び／又は送信する装置である。プロセス送信器２４は例えば、論理演算可能な装置であって、センサワイヤ２６を介して温度センサ２８から受け取った電圧又は電流の信号からデジタル処理の測定値を取り出すように構成されている。

他の実施形態において、プロセス送信器２４は診断又は故障報知構成要素を更に含むことができ、そして、プロセス流Ｆに関しての測定値、制御及び診断データを格納する持続性メモリをも含む。プロセス送信器２４はセンサアセンブリ２２から離れて示されているが、プロセスシステム１０の幾つかの実施形態は、センサアセンブリ２２又は配管１８に直接に取り付けられたプロセス送信器を利用可能である。プロセス送信器２４は内部電源を含んでいるか、外部の電力系接続又は環境発電から電力を受け取ることができる。プロセス送信器２４は温度センサ２８及び制御又は監視システム１６と接続した状態のみで示されているが、プロセス送信器２４の幾つかの実施形態はプロセス流Ｆに接触する付加的なセンサ及び／又はアクチュエータにも利用される。

プロセス送信器２４は送信ライン１４を介して制御又は監視システム１６にデジタル処理の測定値を送信する。送信ライン１４は例えば、多重ワイヤケーブル、光ファイバケーブル又は無線接続である。幾つかの実施形態において、送信ライン１４はワイヤレスハート(WirelessHART:登録商標)プロトコル(IEC 62591)又は同様な送信／受信プロトコル上で作動する無線接続である。温度センサ２８のセンサ出力から発生されたデジタル処理の測定値に加えて、送信ライン１４はプロセス測定システム１２及びセンサアセンブリ２２の診断情報、リセット且つキャリブレーション命令、アクチュエータ命令及びデータ要求等の制御又は監視システム１６からの命令を送信することができる。

プロセス測定システム１２はセンサアセンブリ２２の温度センサ２８からプロセス信号を受け取り、そして解釈する。図２〜４に関して以下に詳述するように、保護管３０と温度センサ２８のプローブ４４との間に介在された挿入体は温度センサ２８と保護管３０との間の熱的な接触を改善し、これにより、測定の応答時間を改善し、誤差を減少させる。また、挿入体は有害な振動から温度センサ２８を保護する。

図２はセンサアセンブリ２２の一実施形態の断面図であり、（フランジインターフェース３２、センサ取り付け部３４、螺子溝３６及びプローブシース３８を備えた）保護管３０、（キャップ４０、螺子４２、プローブ４４及びセンサチップ４６を備えた温度センサ２８及びセンサワイヤ２６を示す。保護管３０はフランジ接続部２０に取り付けられ、配管１８を貫通してプロセス流Ｆ内に延びている。温度センサ２８のセンサチップ４６は、プロセス流Ｆにおける検知領域Ｒｓの近傍にてプローブシース３８との熱的な接触の状態の下、挿入体４８により振動に抗して保持されている。

図１に関して上述したように、保護管３０は保護シールドとして機能し、配管１８を貫通してプロセス流Ｆ内に延び、プロセス流Ｆとの接触によって温度センサ２８が損傷するのを阻止すべく温度センサ２８のプローブ４４を覆っている。保護管３０はプローブシース３８を形成する中空ボアを備えた熱伝導構造である。プローブシース３８内にて、温度センサ２８は検知領域Ｒｓまで延び、温度センサ２８からのセンサ信号は検知領域Ｒｓ内の温度又はその変化を反映する。

図示の実施形態において、保護管３０はフランジインターフェース３２を含み、該フランジインターフェース３２は円筒の広い面であって、フランジ接続部２０との面シールを形成する。フランジインターフェース３２は配管１８からの流体の漏れを阻止するためにシール又はガスケットを更に備えていてもよい。幾つかの実施形態において、フランジインターフェース３２は保護管３０を固定するため、フランジ接続部２０にボルト結合又はクランプ結合されてもよい。代替的には、フランジインターフェース３２は螺子付き又はスロット付きの幾何学形状を含むこともでき、該幾何学形状はフランジ接続部２０の対応する幾何学形状と噛み合うべく選択されている。保護管３０の大部分の実施形態は配管１８から取り外しが容易に構成されているものの、幾つか変形実施形態では保護管３０はフランジ接続部２０に溶接されている。

センサ取り付け部３４は配管１８とは離れる向きにフランジインターフェース３２から延び、温度センサ２８の取り付け点を提供する。図示の実施形態において、温度センサ２８のキャップ４０は保護管３０のセンサ取り付け部３４に嵌入し、キャップ４０の螺子４２がセンサ取り付け部３４の螺子溝３６に噛み合っている。代替的な実施形態において、キャップ４０はバヨネット式ロック又はクランプ式摩擦嵌合等の他の方式でセンサ取り付け部３４に取り付けてられてもよい。プローブシース３８はフランジインターフェース３２から配管１８を貫通してプロセス流Ｆ内に延び、センサチップ４６を検知領域Ｒｓの近傍に位置付けている。プローブシース３８は堅固で実質的に円筒形状の要素であり、プローブ４４及びセンサチップ４６を囲繞し且つ保護している。

図示の実施形態において、プローブシース３８は検知領域Ｒｓに向けて先細状をなし、プローブシース３８の厚みはセンサチップ４６に近傍にて最も薄い。このような薄さはプローブシース３８によって提供される熱的な障壁を減少させ、センサチップ４６の近傍の保護管３０の熱質量によってもたらされる応答時間の増加を短縮させる。保護管３０は例えば金属の鋳造によって一体品として形成できる。代替的には、保護管３０は別個の複数の部品を結合して形成されてもよい。

プロセス流Ｆは特に、プロセス流の固有振動数がプローブシース３８の共鳴振動数に一致するところにて保護管３０内に大きな振幅の振動を発生させ得る。この振動はプローブシース３８とセンサチップ４６との間に機械的な衝撃をもたらし、温度センサ２８を損傷させる可能性がある。このような損傷はプローブシース３８に対してセンサチップ４６を常時保持する挿入体４８によって軽減され、これにより、挿入体４８は損傷をもたらす衝撃を阻止する。

温度センサ２８は保護管３０内にて配管１８を貫通してプロセス流Ｆ内に延びている。プローブ４４は長尺な円筒又は多角形のチューブであり、キャップ４０から検知領域Ｒｓまで延びている。センサチップは熱伝導スリーブであって、センサ要素（例えば、図示しないが熱電対又はサーミスタ）を収容している。キャップ４０及びプローブ４４は協働してセンサワイヤ２６とセンサチップ４６との間の電気接続を提供する。センサチップ４６はその配置位置での温度又は温度変化を反映した電流又は電圧の信号を提供する。

挿入体４８はセンサチップ４６を囲繞し、保護管３０の振動に対してセンサチップ４６を保護し、センサチップ４６とプローブシース３８との間に熱伝達のための広い領域を提供することで、センサチップ４６とプローブシース３８との間に改善された熱的なインタフェースを提供する。例えば、挿入体４８は固形の金属部品であり、該金属部品は銀又は銅等の高い熱伝導係数を有する材料によって形成されている。挿入体４８自体が保護管３０から取り外し可能であってもよく、そして、図３，４に示されるように配管１８から保護管３０が取り外されることなく、温度センサ２８は挿入体４８から取り外し可能及び／又は挿入体４８内に挿入可能である。

図３，４は、検知領域Ｒｓ（図２参照）の近傍におけるセンサアセンブリ２２の領域にて、可能性がある２つの実施形態を示す。図３，４は温度センサ２８におけるセンサプローブ４４及びセンサチップ４６、保護管３０のプローブシース３８及び尖端５０及び挿入体４８を示す。図３は挿入体４８の第１実施形態である挿入体４８ａを示し、図４は挿入体４８の第２実施形態である挿入体４８ｂを示す。挿入体４８ａ，４８ｂは形状にて異なるが、プローブシース３８に対するセンサチップ４６の保持や、センサチップ４６とプローブシース３８との間の熱的なインタフェースの提供という同一の一般的な機能を発揮する。両方の実施形態において、尖端５０はプローブシース３８からセンサチップ４６に向けて延びる突出した尖端である。尖端５０は保護管３０とセンサチップ４６との間での熱接触を単一の点で提供する。

図３に示されているように、挿入体４８ａは円筒状のスリーブであって、複数のスプリングタブ５２を備える。スプリングタブ５２は薄く、それ故に僅かに可撓性を有した金属タブであって、温度センサ２８を受け入れるべく撓む。挿入体４８ａはセンサチップ４６を囲繞し、プローブシース３８に近接して当接する。スプリングタブ５２は挿入体４８からセンサチップ４６に向けて内側、そして、センサチップ４６の先端に向けて下方に延びている。このような幾何学的な構成は挿入体４８ａ内への温度センサ２８の挿入によってスプリングタブ５２に僅かな弾力的変形を許容する。スプリングタブ５２はプローブシース３８の周面に対して温度センサ２８を側方にて保持し、これにより、保護管３０の高い振幅の振動によるセンサチップ４６とプローブシース３８との間の機械的な衝撃を阻止する。

また、スプリングタブ５２は保護管３０とセンサチップ４６との間の付加的且つ熱的な接触点として働き、プロセス流Ｆからセンサチップ４６への熱の流れを改善し、センサアセンブリ２２の応答時間を減少させる。スプリングタブ５２は保護管３０からの温度センサ２８の取り外しを妨げない。挿入体４８ａの取り外し又は損傷無しに、温度センサ２８は保守点検のための取り外し及び／又は交換が可能である。スプリングタブ５２はセンサチップ４６における幅の狭い範囲に配置されているが、挿入体４８ａの種々の形状及びサイズは広幅又は狭幅のセンサチップ４６を配置するために、挿抜して(in or out）交換可能に変更される。

幾つかの実施形態において、挿入体４８ａは温度センサ２８を受け入れるために前もって保護管３０内に挿入可能である。他の実施形態において、挿入体４８ａはセンサチップ４６に取り付け可能であり、保護管３０内に温度センサ２８及び挿入体４８ａを一緒に挿入することで組み付けられる。

図４に示されているように挿入体４８ｂは円筒状のスリーブであって、一体の波状スプリング５４を複数備えている。これら波状スプリング５４は径方向外側且つ保護管３０の先端に向けて延び、プローブシース３８に当接している。波状スプリング５４はプローブシース３８内に嵌入するために撓み、プローブシース３８の内周面に当接すべく延びる。挿入体４８ａのスプリングタブ５２と同様に、波状スプリング５４は比較的薄く、それ故、可撓性を有した金属部品であり、保護管３０内に温度センサ２８を収容するために撓む。

挿入体４８ａがプローブシース３８に直接に当接する一方、スプリングタブ５２の先端を介してのみセンサチップ４６に接触するのに対し、挿入体４８ｂはセンサチップ４６に直接当接する一方、プローブシース３８にはその尖端５０及び波状スプリング５４のみで接触する。スプリングタブ５２と同様に、波状スプリング５４は、プローブシース３９との衝撃を阻止すべくセンサチップ４６を保持することに加え、保護管３０とセンサチップ４６との間に付加的な熱経路を提供する。挿入体４８ａと同様に、挿入体４８ｂは保護管３０に対する温度センサ２８の挿入又は取り外しを妨げない。そして、挿入体４８ｂ自身は、幅狭又は幅広のセンサチップ４６を備えた温度センサ２８を収容するうえで、例えばより大又は小の挿入体４８ｂとの交換のため、保護管３０から取り外し可能である。挿入体４８ｂはセンサチップ４６に密嵌でき、温度センサ２８と一緒に保護管３０内に挿入されるか又は別々に挿入される。

図３，４は挿入体４８に係る実施可能性を有した２つの実施形態を示す。当業者は、本発明の趣旨から逸脱することなく、また、挿入体４８の他の形状や構成が使用可能であることを理解している。一般的に、挿入体４８はプローブシース３８に対してセンサチップ４６を収容且つ保持するために幾つかの可撓性スプリング又は等価な構成要素を含む。好ましくは、挿入体４８は銀又は銅等の高い熱伝導係数を有する材料から形成され、センサチップ４６とプローブシース３８との間に熱経路を提供し、プロセス流Ｆの温度及び温度変化に対する温度センサ２８の応答時間を短縮する。

本発明は、例示的な実施形態を参照して記載されているものの、本発明の趣旨から逸脱することなく、種々の変更や、等価物への構成要素の置換が可能であることは当業者に理解されることである。付け加えて、本発明の趣旨を逸脱することなく、本発明の教示に対して特別な状況又は材料に適合させるために種々の改良が可能である。それ故、本発明は記載された実施形態に制約されるものではなく、添付の特許請求の範囲内の全ての実施形態を含むものである。

Claims (25)

1. 流体流の検知領域内に延びる保護管と、
   前記保護管内に収容されたプローブを有し、前記検知領域内の温度を検知するセンサと、
   複数のスプリング要素を含み、前記保護管内にて前記プローブを取り外し可能に支持し且つ前記保護管と前記プローブとの間の熱的な接触を提供すべく構成された固形の挿入体と
   を具備し、
   前記固形の挿入体は前記保護管の先端部にて前記プローブのチップを支持すべく構成されている、温度検知システム。
2. 前記固形の挿入体は金属から形成されている請求項１に記載の温度検知システム。
3. 前記固形の挿入体は銀又は銅から形成されている請求項２に記載の温度検知システム。
4. 前記保護管はプローブシースを形成する中空のボアを含み、前記固形の挿入体は前記センサと前記プローブシースとの間に位置付けられている請求項１に記載の温度検知システム。
5. 前記固形の挿入体はスリーブを含み、該スリーブは前記プローブの先端にて前記チップを取り囲んでいる請求項１に記載の温度感知システム。
6. 前記スリーブは前記保護管の先端に尖端にて当接している請求項５に記載の温度検知システム。
7. 前記スリーブは前記チップに直接に当接し、前記スプリング要素は前記スリーブから前記保護管に向けて延びる波状スプリングである請求項６に記載の温度感知システム。
8. 前記波状スプリングは前記スリーブから前記保護管の先端に向けて延びている請求項７に記載の温度感知システム。
9. 前記スリーブは前記保護管に直接に当接し、前記ばね要素は前記スリーブから前記チップに向けて延びるスプリングタブである請求項６に記載の温度検知システム。
10. 前記スプリングタブは前記チップの先端に向けて延びている請求項９に記載の温度検知システム。
11. プロセス流を運ぶ配管内に延びる保護管と、
    前記プロセス流の温度を検知するために前記保護管内に延びるプローブを備えたセンサアセンブリと、
    前記プローブと前記保護管との間の熱的な接触を形成する複数のスプリング要素を備えた固形の挿入体と、
    前記センサアセンブリからセンサ信号を受け取り且つ前記センサ信号に基づいた温度測定出力を送信するプロセス送信器と
    を具備し、
    前記固形の挿入体は前記保護管の先端部にて前記プローブのチップを支持すべく構成されている、プロセス測定システム。
12. 前記保護管はプローブシースを形成する中空のボアを含み、前記プローブシースは前記プローブを囲繞し且つ前記プロセス流に向けて延びている請求項１１に記載のプロセス測定システム。
13. 前記固形の挿入体は、前記プローブの先端にて前記中空のボアと前記チップとの間に複数の熱的な接触を提供する請求項１２に記載のプロセス測定システム。
14. 前記固形の挿入体はスリーブを含み、該スリーブは前記プローブの先端にて前記チップを囲繞し且つ前記チップに当接する請求項１２に記載のプロセス測定システム。
15. 前記固形の挿入体は複数の波状スプリングを含み、これら波状スプリングは前記スリーブから前記プローブシースまで延びている請求項１４に記載のプロセス測定システム。
16. 前記固形の挿入体はスリーブを含み、該スリーブは前記プローブの先端にてセンサチップを囲繞し且つ前記プローブシースに当接する請求項１２に記載のプロセス測定システム。
17. 前記固形の挿入体は複数のスプリングタブを含み、該スプリングタブは前記スリーブから前記センサチップまで延びている請求項１６に記載のプロセス測定システム。
18. 前記固形の挿入体は金属から形成されている請求項１１に記載のプロセス測定システム。
19. 前記固形の挿入体は銀から形成されている請求項１８に記載のプロセス測定システム。
20. 前記固形の挿入体は銅から形成されている請求項１８に記載のプロセス測定システム。
21. 前記固形の挿入体は、前記保護管又は前記固形の挿入体を損傷することなく前記保護管から取り外し可能である請求項１１に記載のプロセス測定システム。
22. 前記センサは、前記固形の挿入体の損傷又は交換無しに前記保護管から取り外し可能且つ前記保護管内に交換可能である請求項１１に記載のプロセス測定システム。
23. 保護管内にてプローブを支持する挿入体であって、
    前記プローブを囲繞して配置され且つ前記保護管内に取り外し可能に挿入可能な熱伝導スリーブと、
    前記熱伝導スリーブから側方に延び、前記保護管に対して前記プローブの位置付けをなす可撓性のスプリングと
    を具備し、
    前記挿入体は、前記保護管の先端部にて前記プローブのチップを支持すべく構成されている、挿入体。
24. 前記可撓性のスプリングは波状スプリングであり、該波状スプリングは前記熱伝導スリーブから側方且つ外側に向けて延びて、前記保護管に当接する請求項２３に記載の挿入体。
25. 前記可撓性のスプリングはスプリングタブであり、該スプリングタブは前記熱伝導スリーブから側方且つ内側に向けて延びて、前記プローブに当接する請求項２３に記載の挿入体。
    

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