JP6306680B2 - サーモウェルの振動検出装置 - Google Patents

サーモウェルの振動検出装置 Download PDF

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Description

本発明は、概ねプロセスセンサシステムに関するものであり、より具体的には、産業プロセス監視システムにおける流体センサ用のサーモウェルセンサハウジングに関するものである。
導管を流動する流体や容器に収容された流体の様々な特性を検出し、それら特性に関する情報を、プロセス計測場所から遠く離れた位置にある制御、監視、または保安システムに伝送するために、複数の産業プロセストランスミッタ及びセンサ組立体が用いられる。それぞれのプロセストランスミッタが、1以上のセンサ組立体やアクチュエータ組立体と接続されることもある。センサ組立体は、圧力、温度、pH、または流量などの様々なプロセスパラメータを検出する場合がある。プロセストランスミッタは、そのようなプロセスパラメータの少なくとも1つを示す電流形式または電圧形式のアナログセンサ出力信号の伝送に用いられるセンサ用配線を介し、センサ組立体と電気的に接続されるのが一般的である。それぞれのプロセストランスミッタは、これらのセンサ出力信号を読み取り、プロセスパラメータの計測データに変換する。最終的に、プロセストランスミッタは、この情報を制御システムに伝送する。
プロセス流体の温度及び温度変化を検出するセンサ組立体は、プロセス流体の中に延設されるサーモウェル内に収容された少なくとも1つの温度センサを備えているのが一般的である。サーモウェルは、プロセス流体と物理的に接触して、プロセス流体と温度センサとの間で効果的に熱を伝達しつつ、温度センサがプロセス流体と直に接することで生じうる、例えば衝撃や腐食などといった物理的ダメージから温度センサを保護するように構成される。破損または損傷したサーモウェルは、有害なプロセス流体を漏洩させるおそれがあり、繊細であったり高価であったりするセンサをプロセス流体に曝すことになるので、サーモウェルの信頼性は、プロセス監視において欠くことのできない重要なものである。サーモウェルの深刻な損傷により、サーモウェルが外れ、下流側にある設備に更なる障害を生じるおそれがある。
振動は、サーモウェル及び収容された温度センサを損傷させる主たる原因であり、振動の抑制や防止が、プロセス流体中におけるセンサ組立体の作動を継続する上で、必須となる。サーモウェルにプロセス流体が衝突することにより、渦が発生して、プロセス流体中に乱流が生じる。このような乱流は、サーモウェルの外形形状、並びにプロセス流体の状態及び流量を含む複数の要素によって定まる固有の後流周波数fwを有している。後流周波数fwがサーモウェルの自然共鳴周波数frに近いと、渦の発生によってサーモウェルの有害な振動が生じる可能性がある。従って、予測される後流周波数fwを用い、fw=frとなる共鳴状態を回避するように、サーモウェルを設計することが多い。しかしながら、サーモウェルの耐用期間中には、プロセスの条件変化によって、後流周波数fw及び自然共鳴周波数frの少なくとも一方が変化し、共鳴状態が生じる可能性が増大する場合がある。
本発明は、プロセストランスデューサ、無給電式振動センサ、及びプロセストランスミッタを備えたセンサシステムに関するものである。プロセストランスデューサは、サーモウェルの中に配設され、第1センサ信号を生成するように構成される。無給電式振動センサは、サーモウェルの周辺の振動から交流信号を生成するように構成された振動エネルギ捕集器と、サーモウェルの振動を表す第2センサ信号を、交流信号から生成するように構成された信号調整用電子回路とを有する。プロセストランスミッタは、第1センサ信号及び第2センサ信号の受信、処理、及び伝送を行うように構成される。
本発明に係るプロセスの監視または制御を行うシステムの概要図である。 図1に示すシステムのためのエネルギ捕集型振動センサの回路構成図である。 図2に示すエネルギ捕集型振動センサにおける、共鳴周波数での振動の影響を例示した、周波数に対する出力電圧の関係を示すグラフである。
図1は、産業流体プロセスの監視及び操作の少なくとも一方を行うシステムの一実施形態として、プロセスシステム10を切り欠いて示す概略図である。本実施形態においてプロセスシステム10は、プロセストランスミッタ12、プロセス配管14(フランジ式接続部16を有する)、サーモウェル18、プロセストランスデューサ20、延長部22、振動センサ24、及び制御または監視システム(以下、制御/監視システムとする)26を備える。
プロセス配管14は、産業プロセス用のプロセス流体Fを流動させる。プロセス配管14は、例えば、オイルスラリ、製造用粘性材料、ガス、または液体といった流体を流動させるように構成された管またはダクトとすることができる。プロセス配管14は、温度、流量、圧力、またはpHのような、プロセス流体Fの少なくとも1つの特性を計測するフランジ取付式機器を容易に接続可能な、少なくとも1つのフランジ式接続部16を備えている。本実施形態においてフランジ式接続部16は、サーモウェル18及びプロセストランスデューサ20の装着箇所となり、これらサーモウェル18及びプロセストランスデューサ20を貫通させてプロセス流体F内まで延設することが可能な開口を、プロセス配管14に備えている。プロセス流体Fは、例えば、プロセストランスデューサ20の作動を損なったり、作動に不都合を生じたりするような薬品または微粒子を含んでいることがある。
サーモウェル18は、プロセス流体F内においてプロセストランスデューサ20を取り囲む保護部材となる。サーモウェル18は、例えば、フランジ式接続部16に装着され、フランジ式接続部16を通してプロセス流体F内に配設される中空のテーパ状シースとすることができる。サーモウェル18は、真鍮、鋼、または銅のような大きな熱伝導係数を有した材料で形成されることにより、プロセス流体Fからプロセストランスデューサ20に効率よく熱を伝達することができる。サーモウェル18は、その形状及び構造によって定まる固有の自然共鳴周波数frを有する。
本実施形態において、プロセストランスデューサ20は、サーモウェル18の中に収容された温度センサプローブであり、フランジ式接続部16周辺のプロセス流体Fの温度または温度変化を表すプロセス信号を生成することができる。プロセストランスデューサ20は、例えば、熱電対、抵抗式温度検出素子、またはサーミスタとすることができる。サーモウェル18は、プロセス流体Fからプロセストランスデューサ20を保護し、プロセストランスデューサ20の損傷を防いで想定耐用年数を増大させる。また、サーモウェル18は、フランジ式接続部16との間で流体シールを形成することにより、プロセストランスデューサ20周辺におけるプロセス流体Fの漏洩を防止している。サーモウェル18は、例えば、ボルトまたはクランプにより、フランジ式接続部16に取り付けることができる。いくつかの実施形態として、プロセスシステム10は、サーモウェル18とフランジ式接続部16との間に、より良好な流体シールを行うべく、更なるシール用部材(ガスケット、Oリングなど)を備えていてもよい。
プロセストランスミッタ12は、信号処理装置及び信号伝送装置の少なくとも一方であって、プロセストランスデューサ20から信号を受け取って処理することにより、プロセス流体Fのパラメータに関する少なくとも1つの計測データを生成する。プロセストランスミッタ12は、例えば、プロセストランスデューサ20から受け取った電気信号からプロセス計測データを抽出するように構成された論理演算可能な装置とすることができる。プロセストランスミッタ12は、診断部や故障報知部を更に備えることが可能であり、プロセス流体Fに関する計測データ、制御データ、及び診断データを保存可能な不揮発性メモリを備えていてもよい。
本実施形態において、プロセストランスデューサ20は、延長部22を介してプロセストランスミッタ12に連結されている。図に示すとおり、延長部22は、プロセストランスミッタ12を支持する硬質の連結部材であって、プロセストランスミッタ12をプロセストランスデューサ20に接続する信号用配線を保持する。プロセストランスミッタ12は、プロセストランスデューサ20から分離した状態で、延長部22に取り付けられるようになっているが、いくつかのプロセスシステム10の実施形態として、プロセス配管14、フランジ式接続部16、またはプロセストランスデューサ20に直接取り付けられるプロセストランスミッタを用いるようにしてもよいし、遠隔した場所に取り付けるようにしてもよい。プロセストランスミッタ12は、内部電源を備えていてもよいし、外部の電力供給網またはエネルギ捕集装置から電力を受け取るようにしてもよい。更に、図2及び図3に基づき詳しく後述するように、プロセストランスミッタ12は、振動センサ24から補助電力を受け取るようにしてもよい。
振動センサ24は、周波数可変式の振動エネルギ捕集器を有した振動・電圧変換器であって、サーモウェル18の自然共鳴周波数frと密接に整合する自然共鳴周波数fsを有する。いくつかの実施形態として、振動センサ24の自然共鳴周波数fsは、例えば、製造工程において、振動エネルギ捕集器の振動アームの先端部質量またはアーム長を変更することよって調整することができる。別の実施形態として、例えばプロセスシステム10内の取付位置において、振動センサ24の自然共鳴周波数fsを適宜調整することができるようにしてもよい。振動センサ24は、延長部22に配設されるようになっているが、これに代わるプロセスシステム10の実施形態として、振動センサ24は別の位置に配置されていてもよく、例えばサーモウェル18、プロセストランスデューサ20、またはプロセストランスミッタ12に直接取り付けるようにしてもよい。全般的に振動センサ24は、図2及び図3に基づき後述するように、サーモウェル18から発生した渦によって、振動センサ24から出力電圧が得られるよう、サーモウェル18に近接して設けられる。振動センサ24によって生成される出力電圧の高さは、自然共鳴周波数fsに対する後流周波数fwの近さに対応したものとなる。自然共鳴周波数fsは自然共鳴周波数frと密接に整合しているので、振動センサ24の出力電圧の高さによって、サーモウェル18の共鳴条件に対する後流周波数fwの近さを表すセンサ信号が構成される。このようなセンサ信号を振動センサ24からプロセストランスミッタ12に伝送するための信号配線は、例えば延長部22に収容することができる。
制御/監視システム26は、複数のプロセストランスミッタ12の監督などを行う制御または監視部門における、集中処理システム、データ保管システム、及び監視システムの少なくとも1つであって、プロセストランスミッタ12は、この制御/監視システム26と通信を行う。プロセストランスミッタ12は、プロセストランスデューサ20から得た温度計測データ、及び振動センサ24から得た振動計測データを含むプロセスの計測データを、制御/監視システム26に伝送する。これらの計測データは、例えば、プロセストランスデューサ20及び振動センサ24から送られた未加工の電圧または電流信号に対応して、プロセストランスミッタ12でデジタル化したものであってもよい。プロセスシステム10には、制御/監視システム26に接続された単一のプロセストランスミッタ12が示されているが、プロセスシステム10のいくつかの実施形態として、制御/監視システム26を共有する複数のプロセストランスミッタ12を備えるようにしてもよい。同様に、プロセストランスミッタ12は、単一の振動センサ24及び単一のプロセストランスデューサ20に取り付けられて示されているが、これに代わるプロセスシステム10の実施形態として、単一のプロセストランスミッタ12と通信を行う複数のトランスデューサ及び複数の振動センサの少なくとも一方を備えるようにしてもよい。図1には、プロセストランスミッタ12と制御/監視システム26との間に有線接続が示されている。しかしながら、プロセストランスミッタ12は、多線ケーブル、光ファイバーケーブル、またはワイヤレス接続により、制御/監視システム26と通信を行うようにしてもよい。いくつかの実施形態として、プロセストランスミッタ12は、WirelessHART(登録商標)プロトコル、またはこれに類似する送受信プロトコルで運用されるワイヤレス接続を介し、制御/監視システム26と通信を行うようにしてもよい。プロセストランスミッタ12は、プロセスの計測データ及び振動計測データに加え、診断情報またはログ情報及び障害警報を制御/監視システム26に供給するようにしてもよい。同様に、制御/監視システム26は、データ、リセット、もしくは較正の要求、またはそれ以外の指令を、プロセストランスミッタ12に発するようにしてもよい。
プロセス配管14は、サーモウェル18を通過するようにプロセス流体Fを流動させ、サーモウェル18は、プロセストランスデューサ20を収容し、プロセストランスデューサ20がプロセス流体Fと間接的に熱接触した状態を維持しつつ、プロセストランスデューサ20がプロセス流体Fと直接的に接触しないようにしている。プロセス流体Fがサーモウェル18のそばを通過する際、サーモウェル18とプロセス流体Fとが衝突することにより、サーモウェル18の下流側に乱流が引き起こされる。このときの渦の発生によって、上述したような固有の後流周波数fwを有した乱流が生成される。サーモウェル18の共鳴周波数と振動センサ24の共鳴周波数とを整合させることにより、プロセスシステム10は、プロセス流体Fの乱流とサーモウェル18との間の共鳴に関する計測データを振動センサ24に生成させることが可能となり、プロセストランスミッタ12及び制御/監視システム26の少なくとも一方により、サーモウェル18が、損傷のおそれのあるfw=fr=fsの状態に相当する共鳴状態にあるか、またはその近傍の状態にあることを認識することが可能となる。このようにして、プロセスシステム10は、サーモウェル18が完全に故障してしまう前に、サーモウェル18の障害の検知を可能とする。
図2は、振動センサ24の概略構成図であって、振動センサ24は、振動エネルギ捕集器100(信号電圧VSを有する)、整流回路102(ダイオードD1、D2、D3、及びD4を有する)、平滑回路104(コンデンサCを有する)、分圧回路106(抵抗R1及びR2を有する)、及び出力端子108(出力電圧Voutを有する)を備えている。全般的に、振動に比例した出力が得られる任意の無給電式素子を、振動エネルギ捕集器100に代えて用いることが可能である。図2に関して上述したように、振動エネルギ捕集器100は、当該振動エネルギ捕集器100の共鳴周波数fsが、サーモウェル18の共鳴周波数frと密接に整合するように、選定または調整される。共鳴周波数frは、例えばASME(米国機械学会)規格PTC19.3TW、または同様の工業規格に従って演算すること、或いは実証試験によって確認することが可能である。従来より知られているように、例えば、振動エネルギ捕集器100内の振動検知プローブの端部質量またはアーム長を変更することにより、周波数の調整を行うようにしてもよい。振動エネルギ捕集器100は、振動センサ24における機械的振動に対応した周期及び振幅の交流(AC)信号を生成する。振動エネルギ捕集器100は、信号電圧VSのAC電圧供給源として機能する。整流回路102、平滑回路104、及び分圧回路106は、信号調整回路を構成し、信号電圧VSから出力電圧Voutを生成する。整流回路102は、信号電圧VSを整流して直流(DC)信号を生成する。整流回路102は、4つのダイオードD1、D2、D3、及びD4を有したブリッジ型全波整流回路として示されている。図示した実施形態は、単純で費用対効果が良好であるが、半波整流回路やトランジスタ式全波整流回路を含め、別の形式の整流回路を同様に用いてもよい。振動センサ24のいくつかの実施形態として、整流回路102を用いずに、振動エネルギ捕集器100が生成したAC信号を直ちにサンプリングするようにしてもよい。平滑回路104は、整流回路102のDC出力から過渡変動を取り除く。本実施形態において平滑回路104は、一端が接地された単一のコンデンサCからなる。分圧回路106は、平滑されたDC信号を一定比率で分圧し、正規化された出力電圧Voutを出力端子108に生成する。この出力電圧Voutは、例えばプロセストランスミッタ12(前述のとおり、図1参照)によってデジタル化し、サーモウェル18周辺の共鳴に関するデジタル計測データを生成するようにしてもよいし、アナログ形式で処理してもよい。これに代わるいくつかの実施形態として、出力電圧Voutまたは信号電圧VSを、プロセストランスデューサ20からのプロセスセンサ信号と組み合わせ、その合成信号をプロセストランスミッタ12の1つの端子で受け取って、デジタル方式で分離するようにしてもよい。
出力電圧Voutは、サーモウェル18における振動の大きさを直接的に示す計測データではない。共鳴周波数frと共鳴周波数fsとはほぼ等しいことから、振動エネルギ捕集器100は、サーモウェル18の共鳴状態において、信号電圧VS(及び、これに対応した出力電圧Vout)を最大化する特性を有している。このため、振動センサ24の出力電圧Voutは、サーモウェル18の振動周波数(主として後流周波数fwの渦発生に起因する)と、サーモウェル18の共鳴周波数frとの近さに関する計測データとなる。後流周波数fwが共鳴周波数frから離間している場合、出力電圧Voutは低下し、サーモウェル18とプロセス流体Fの乱流との間で有害な共鳴が生じる危険性はわずかしかない。一方、後流周波数fwが共鳴周波数frに近付くと、サーモウェル18における共鳴の増大及び振動の増大に対応して、出力電圧Voutが上昇する。従って、出力電圧Voutの値が大きいと、サーモウェル18の有害な共鳴状態の可能性があることになる。以下では、このような関係について、図3に基づき、より詳細に説明する。
図2に示すように、振動センサ24は、比較的単純な回路構成を有した無給電式センサからなる。振動エネルギ捕集器100が、振動の大きさを表すAC信号を、振動センサ24の機械的振動から直接的に生成するので、振動センサ24を作動させるための補助電源は必要ない。いくつかの実施形態では、振動エネルギ捕集器100から得られた余剰電力を、プロセストランスミッタ12に送給したり、共鳴状態を示す視覚的表示または音響的表示に利用したりすることが可能となっている。
図3は、後流周波数fwと相関する出力電圧Voutの一例を示すグラフである。図2に関して上述したように、出力電圧Voutは、振動エネルギ捕集器100の共鳴周波数fsで最大となる。振動エネルギ捕集器100は、fs≒frとなるように調整または選定されているので、サーモウェル18に有害な振動を生じる可能性があるサーモウェル18の共鳴状態に相当するfw=fs≒frの状態またはその近傍において、出力電圧Voutが最大となる。図3は、共鳴周波数fr周辺の共鳴領域Δfrを例示している。共鳴領域Δfrは、サーモウェル18に有害な振動を生じる程度に共鳴周波数frに近接した後流周波数fwの周波数帯域に相当する。検出された振動周波数が共鳴領域Δfr内のとき、出力電圧Voutは、共鳴閾値電圧Vrに対し、Vout≧Vrとなる。プロセストランスミッタ12及び制御/監視システム26の少なくとも一方は、例えば、Vout>Vrとなったとき、即ち、特定期間にわたりVout>Vrとなった場合に、サーモウェル18の交換を促したり、警報を発したりしてもよい。共鳴閾値電圧Vrは、機械的許容誤差、共鳴周波数frへの共鳴周波数fsの調整精度、及び共鳴周波数frの推定精度に基づいて選定することができる。これに代わる実施形態として、プロセストランスミッタ12及び制御/監視システム26の少なくとも一方は、共鳴閾値電圧Vrとの比較を行わずに、出力電圧Voutを記録するようにしてもよい。
振動センサ24は、サーモウェル18の有害な共鳴の可能性を、故障が生じる前に検知するための、コンパクトで安価な手段を提供するものである。流通及び設置を容易とするため、共鳴周波数を整合させた(fs≒frとした)振動センサと共に、サーモウェルをコード化または販売するようにして、エンドユーザが、自分で振動センサ24の調整を行うのではなく、各サーモウェル18に対して適切な振動センサ24を選択できるようにすることが可能である。振動センサ24は、外部電力を用いるものではないので、プロセストランスミッタ12または別個の電源からの電力を必要としない。いくつかの実施形態として、振動センサ24は、プロセストランスミッタ12に対し、別の電源からの電力を補うか、或いは別の電源からの電力に代えて、電力を供給するようにしてもよい。
具体的な実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能であると共に、均等物で本発明の各構成要素を置き換えることが可能であることが当業者に理解されよう。また、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況やものを本発明の教示に適合させるための様々な変形が可能である。従って、本発明は、開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲内に包含される全ての態様を含むものである。

Claims (22)

  1. サーモウェルの中に配設され、第1センサ信号を生成するように構成されたプロセストランスデューサと、
    前記サーモウェルの周辺の振動から交流信号を生成するように構成された振動エネルギ捕集器、及び前記サーモウェルの振動を表す第2センサ信号を、前記交流信号から生成するように構成された信号調整用電子回路を有する無給電式振動センサと、
    前記第1センサ信号及び前記第2センサ信号の受信、処理、及び伝送を行うように構成されたプロセストランスミッタと
    を備えることを特徴とするセンサシステム。
  2. 前記プロセストランスデューサは、プロセス流体のパラメータを検出するように配設され、前記第1センサ信号は、前記プロセス流体のパラメータを表すことを特徴とする請求項1に記載のセンサシステム。
  3. 前記プロセストランスデューサは、温度センサであって、前記第1センサ信号は、温度を表す信号であることを特徴とする請求項2に記載のセンサシステム。
  4. 前記サーモウェルに対する前記プロセス流体の衝突により、前記サーモウェルの振動が生じることを特徴とする請求項2に記載のセンサシステム。
  5. 前記振動エネルギ捕集器と前記サーモウェルとは、共通の共鳴周波数を有することを特徴とする請求項に記載のセンサシステム。
  6. 前記第2センサ信号は、前記振動エネルギ捕集器の処理後の出力電圧の高さを示すことを特徴とする請求項に記載のセンサシステム。
  7. 前記信号調整用電子回路は、整流回路、平滑回路、及び分圧回路を備えることを特徴とする請求項に記載のセンサシステム。
  8. 前記第2センサ信号は、前記サーモウェルの振動周波数と、前記サーモウェルの共鳴周波数との近さを表すことを特徴とする請求項1に記載のセンサシステム。
  9. 制御または監視システムを更に備え、
    前記プロセストランスミッタは、前記制御または監視システムに、前記第1センサ信号及び前記第2センサ信号を伝送する
    ことを特徴とする請求項1に記載のセンサシステム。
  10. 前記プロセストランスミッタと前記制御または監視システムとのいずれかは、前記第2センサ信号に基づき、警報状態を示すことを特徴とする請求項に記載のセンサシステム。
  11. 前記プロセストランスミッタと前記制御または監視システムとのいずれかは、前記第2センサ信号が閾値を上回ったことに応答して前記警報状態を示すことを特徴とする請求項10に記載のセンサシステム。
  12. プロセス流体を監視するプロセスシステムであって、
    前記プロセス流体の中に延設されるサーモウェルと、
    前記サーモウェルの中に収容され、前記プロセス流体の特性を表すプロセス信号を生成するように構成されたプロセストランスデューサと、
    前記サーモウェルに近接して配置され、前記サーモウェルの周辺の振動を表す振動信号を生成するように構成された無給電式振動センサであって、前記サーモウェルの周辺の振動から交流信号を生成するように構成された振動エネルギ捕集器、及び前記交流信号から前記振動信号を生成するように構成された信号調整用電子回路を有する無給電式振動センサと、
    前記プロセス信号及び前記振動信号の受信及び処理を行うように構成されたプロセストランスミッタと
    を備えることを特徴とするプロセスシステム。
  13. 前記プロセストランスデューサは、温度センサであって、前記プロセス流体の特性は、前記プロセス流体の温度または前記プロセス流体の温度の変化であることを特徴とする請求項12に記載のプロセスシステム。
  14. 前記プロセストランスミッタは、前記振動信号の大きさが閾値を上回ると警報状態を示すように構成されることを特徴とする請求項12に記載のプロセスシステム。
  15. 前記信号調整用電子回路は、前記交流信号を直流信号に変換する全波整流回路を備えることを特徴とする請求項12に記載のプロセスシステム。
  16. 前記信号調整用電子回路は、過渡信号を平滑するコンデンサを備えることを特徴とする請求項12に記載のプロセスシステム。
  17. 前記信号調整用電子回路は、前記振動信号を一定比率で分圧する複数の抵抗からなる分圧回路を備えることを特徴とする請求項12に記載のプロセスシステム。
  18. 前記振動エネルギ捕集器は、前記サーモウェルと共通の共鳴周波数を有するように調整されることを特徴とする請求項12に記載のプロセスシステム。
  19. 前記無給電式振動センサは、前記プロセストランスミッタに対し、少なくとも部分的に電力を供給することを特徴とする請求項12に記載のプロセスシステム。
  20. 前記プロセストランスミッタと通信し、前記プロセス信号に基づくプロセス計測データと、前記振動信号に基づく振動計測データとを受け取る制御または監視システムを更に備えることを特徴とする請求項12に記載のプロセスシステム。
  21. 前記無給電式振動センサは、前記プロセストランスデューサから前記プロセストランスミッタに延設された硬質の連結部材に取り付けられることを特徴とする請求項12に記載のプロセスシステム。
  22. 前記サーモウェルは、前記プロセス流体が流動するプロセス配管の管壁を貫通して延設されることを特徴とする請求項12に記載のプロセスシステム。
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