JP6408588B2 - 非侵入型温度測定アセンブリ - Google Patents

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Description

本発明は一般的に工業プロセスにて使用する温度測定アセンブリに関する。特に、本発明は非侵入でプロセス温度を測定する非侵入型温度測定アセンブリに関する。
処理容器壁を貫通する必要無しに容器内の処理流体の温度を測定するために、非侵入型の工業プロセス温度測定アセンブリが使用されている。非侵入型温度測定アセンブリは容器壁の外面の温度を測定する。このようなアセンブリは温度センサと、容器壁の外面上に温度センサにおける温度検出プローブの先端を位置付けるべく適合した構造とを含む。処理流体の温度が変化するに連れ、容器壁温度もまた変化する。また、容器壁温度は太陽光や風又は雨等の大気条件に応答しても変化する。
プローブの先端回りを隔離することは大気条件の変化からの前記外面の遮蔽を多少提供する。しかしながら、隔離が決して理想ではない点で、非侵入型でのプロセス温度測定の正確さが損なわれる。
本発明の一実施形態は処理容器壁と共に使用する温度センサアセンブリであって、該アセンブリはベース構造、第1温度センサ、第2温度センサ及びプロセッサを具備する。ベース構造はベース熱伝導率値(K )及びベース厚さ(T )を有する。また、ベース構造は容器熱伝導率値(K )、容器半径(R)及び容器厚さ(T )を有した処理容器壁における外面の一部に対する接触域を形成すべく適合された第1面と、該第1面からベース構造のベース厚さ(T だけ離れた第2面とを含む。第1温度センサは接触域にてベース構造を貫通して延び、処理容器壁における外面の温度を測定する。第2温度センサはベース構造の第2面にあって、ベース構造の第2面の温度を測定する。プロセッサは第1及び第2温度センサに接続され、第1温度センサから処理容器壁における外面の測定温度と共に第2温度センサからベース構造における第2面の測定温度を受け取って、処理容器壁における外面の測定温度、ベース構造における第2面の測定温度、ベース構造パラメータ及び処理容器壁パラメータの関数として内部の処理容器壁温度値を決定するように適合されそして、決定された内部の処理容器壁温度値処理容器壁における外面の測定温度、ベース構造にける第2面の測定温度、ベース熱伝導率値(K )、容器熱伝導率値(K )、容器半径(R)及び容器厚さ(T )の関数である
本発明の他の実施形態は、処理容器壁と共に使用する温度測定アセンブリであって、該アセンブリは温度センサアセンブリと、該温度センサアセンブリに接続された電子機器ハウジングとを具備する
温度センサアセンブリは、ベース熱伝導率値(K )及びベース厚さ(T )を有したベース構造、第1温度センサ及び第2温度センサを含む。ベース構造は、容器熱伝導率値(K )、容器半径(R)及び容器厚さ(T )を有した処理容器壁における外面の一部に対する接触域を形成すべく適合された第1面と、該第1面からベース構造のベース厚さ(T だけ離れた第2面とを含む。
第1温度センサは接触域にてベース構造を貫通して延び、処理容器壁における外面の温度を測定する。第2温度センサはベース構造の第2面にあって、ベース構造における第2面の温度を測定する。
電子機器ハウジングはプロセッサ及び通信インタフェースを含む。
プロセッサは第1及び第2温度センサに接続され、第1温度センサから処理容器壁における外面の測定温度と共に第2温度センサからベース構造における第2面の測定温度を受け取り、処理容器壁における外面の測定温度、ベース構造における第2面の測定温度、ベース構造パラメータ及び処理容器壁パラメータの関数として、内部の処理容器壁温度値を決定するように適合されている。
通信インタフェースは内部の処理容器壁温度値を制御監視システムに送信するように適合されている。
そして、この場合にも、決定された内部の処理容器壁温度値は、処理容器壁における外面の測定温度、ベース構造における第2面の測定温度、ベース熱伝導率値(K )、容器熱伝導率値(K )、容器半径(R)及び容器厚さ(T )の関数である
また、本発明の他の実施形態は、内の処理容器壁温度値を非侵入にして決定する方法である。該方法は、ベース構造で処理容器壁の外面の一部を覆う工程であって、前記ベース構造が処理容器壁の外面の一部に対する接触域を形成すべく適合された第1面と、該第1面からベース構造のベース厚さ(T )だけ離れた第2面を有する、工程を含む。該方法は処理容器壁における外面の温度測定、及び、処理容器壁とは背向したベース構造における第2面の温度測定をそれぞれなす工程を含む。更に、方法は、処理容器壁における外面の測定温度、ベース構造の前記第2面の測定温度、ベース構造パラメータ及び処理容器壁パラメータに基づいて内部の処理容器壁温度値を決定する工程であって、決定された内部の処理容器壁温度値処理容器壁における外面の測定温度、ベース構造の前記第2面の測定温度、ベース構造のベース熱伝導率値(K )及び前記ベース厚さ(T )、並びに前記処理容器壁における容器熱伝導率値(K )、容器半径(R)及び容器厚さ(T )の関数である、工程を含む
本発明を具体化し且つベース構造がパイプクランプである温度測定アセンブリの側面図である。 図1の実施形態の一部断面図である。 図1の実施形態における電子機器の概略図である。 本発明を具体化し且つベース構造が平坦なプレートである温度測定アセンブリにおける他の実施形態の一部断面図である。
図1は、本発明を具体化した温度測定アセンブリの側面図である。図1は温度測定アセンブリ10を示し、該温度測定アセンブリ10は、温度センサアセンブリ12、電子機器ハウジング14及びセンサチューブ16を含む。温度測定アセンブリ10は処理容器壁18に取り付けられ、該処理容器壁18内の処理流体Pに関連した温度を測定する。図1に示された実施形態において、処理容器壁18はパイプの形態をなし、内径Rを有する。処理容器壁18は外面20、内面22及び厚さTを含む。温度センサアセンブリ12はベース構造24を含む。該ベース構造24は図示のパイプクランプのような湾曲プレートであってもよい。温度センサアセンブリ12は処理容器壁18の外面20にベース構造24によって取り付けられている。センサチューブ16は電子機器ハウジング14を温度センサアセンブリ12のベース構造24に接続させている。
図2は、図1における実施形態の一部の断面図である。図2に示されるように、ベース構造24は第1面26と、該第1面26からベース構造24の厚さTだけ離れた第2面28とを含む。第1面26は処理容器壁18の外面20に物理的に接触するように適合され、接触領域30を形成する。更に、温度センサアセンブリ12は第1温度センサ32及び第2温度センサ34を含む。第1温度センサ32は温度センサデバイス36及びセンサワイヤ38を含む。第2温度センサ34は温度センサデバイス40及びセンサワイヤ42を含む。例えば、温度センサデバイス36,40は熱電対、サーミスタ、赤外線センサ、又は、薄膜或いはワイヤ巻回要素を有した抵抗温度検出器(RTD)である。センサチューブ16は中空をなし、第1及び第2温度センサ32,34のための覆いを提供する。センサワイヤ38はセンサチューブ16を貫通し、図3を参照して説明されるように温度センサデバイス36を電子機器ハウジング14内の電子機器に接続する。同様に、センサワイヤ42はセンサチューブ16を貫通し、温度センサデバイス40を電子機器ハウジング14内の電子機器に接続する。
第1温度センサ32はベース構造24を貫通して接触域30に延び、処理容器壁18の外面20に物理的に接触している。このように配置されることで、第1温度センサ32は、センサワイヤ38間に外面20における温度Θの変化に応答して変化するアナログの電気信号を温度センサデバイス36により検出して発生させることで外面20の温度Θを測定する。第2温度センサ34はベース構造24の第2面28に物理的に接触し、第2面28の温度を測定する。第2温度センサ34は、センサワイヤ42間に第2面28における温度Θの変化に応答して変化するアナログの電気信号を温度センサデバイス40により検出して発生させることで、第2面28の温度Θを測定する。
図3は図1及び図2での実施形態のための電子機器の概略図である。図3は、マイクロプロセッサ50、第1A/Dコンバータ52、第2A/Dコンバータ54及びメモリ56を含む電子機器ハウジング14を示す。好ましくは、マイクロプロセッサ50はデジタルマイクロプロセッサである。第1及び第2A/Dコンバータ52,54はアナログーデジタルの変換器である。メモリ56はマイクロプロセッサ50に接続されたデジタルデータの記憶装置である。第1A/Dコンバータ52はセンサワイヤ38に電気的に接続され、温度センサデバイス36からのアナログの電気信号をマイクロプロセッサ50のためのデジタル信号に変換する。第2A/Dコンバータ54はマイクロプロセッサ50を第2温度センサ34に接続する。第2A/Dコンバータ54はセンサワイヤ42に電気的に接続され、温度センサデバイス40からのアナログの電気信号をマイクロプロセッサ50のためのデジタル信号に変換する。
メモリ56は複数のベース構造パラメータ及び複数の処理容器壁パラメータを含んでいる。ベース構造パラメータはベース構造24の物理的な特性であり、例えば、ベース構造24の熱伝導値K及びベース構造の厚さTを含むことができる。温度測定アセンブリ10が製造されたとき、ベース構造パラメータをメモリ56に記憶可能である。代替的には、後述するように温度測定アセンブリ10が使用されるときにベース構造パラメータをメモリ56に記憶してもよい。
処理容器壁パラメータは処理容器壁18の物理的なパラメータであり、例えば、処理容器壁18の熱伝導値K及び処理容器壁18の厚さTを含むことができる。温度測定アセンブリ10が製造されたとき、処理容器壁パラメータをメモリ56に記憶可能である。しかしながら、温度測定アセンブリ10が取り付けられるべき処理容器の製造時が既知とは限らないため、後述するように温度測定アセンブリ10が使用に備えて構築されるとき、処理容器壁パラメータをメモリ56に記憶してもよい。代替的又は付加的には、温度測定アセンブリ10が使用に備えて構築されるとき、処理容器壁パラメータの多数のセットがメモリ56に記憶され、メモリ56内の所望のセットがその使用のために選択される。
フーリエの伝導法則によれば、ベース構造24を貫通する熱流束は処理容器壁18を貫通する熱流束と同一であるべきである。この条件の下、処理容器壁18の内面22の温度Θは外面20の測定温度Θ及び第2面28の測定温度Θから決定できる。
図1及び図2を図3と共に考慮すれば、温度測定アセンブリ10は処理容器壁18の内面22の温度Θを非侵入方式で決定するために、処理容器壁18に取り付けられている。温度センサアセンブリ12は、ベース構造24の第1面26が外面20の一部を覆い、接触域30を形成するように組み付けられている。第1温度センサ32は外面20の温度Θを測定し、第2温度センサ34は処理容器壁18とは背向したベース構造24の第2面28の温度Θを測定する。マイクロプロセッサ50は第1A/Dコンバータ52からの外面20の測定温度Θ及び第2A/Dコンバータ54からの第2面28の測定温度Θをデジタル信号として受け取る。マイクロプロセッサ50はメモリ56からベース構造パラメータ及び処理容器壁パラメータを得る。フーリエ伝導法則のような伝熱モデルを使用し、マイクロプロセッサ50は外面20の測定温度Θ、第2面28の測定温度Θ、ベース構造パラメータ及び処理容器壁パラメータに基づき、温度Θを決定すべく適合されている。温度Θは処理容器壁18の内面22の温度値である。また、温度Θは処理容器壁18内の処理流体Pの温度推定値である。乱流状態の下では処理容器壁18によって規定されるパイプを横断する方向でみて温度プロファイルが比較的に均一であるために、温度Θは処理流体Pの非常に正確な推定値となり得る。
図3に示された実施形態において、電子機器ハウジング14はまた通信インタフェース58を含む。該通信インタフェース58は温度測定アセンブリ10と制御監視システム62との間の通信を提供する。このような装備によれば、温度測定アセンブリ10は温度測定送信器として参照され、制御監視システム62に処理容器壁18の内面22の温度Θを送信することもできる。温度測定アセンブリ10と制御監視システム62との間の通信は適切な無線又は有線の如何なる接続でもって可能である。例えば、通信は、4〜20mAの範囲に亘る2線式ループ上でのアナログ電流によって表すことができる。代替的には、通信は、HARTデジタルプロトコルを使用した2線式ループ上、又は、ファウンデーションフィールドバス(Foundation fieldbus)等のデジタルプロトコルを使用した通信バス上でのデジタル形態で伝送可能である。通信インタフェース58は、WirelessHART(IEC 62591)等の無線プロトコルを使用した無線伝送通信のための無線通信回路64を随意的に含むことができる。更に、制御監視システム62との通信は直接又はネットワークを介しても可能であり、ネットワークは任意の数の中継装置、例えば、無線網のネットワーク(図示しない)からなる。通信インタフェース58は温度測定アセンブリ10への通信や、温度測定アセンブリ10からの通信を管理且つ制御するのに役立つ。例えば、制御監視システム62は温度測定アセンブリ10の構築のために備えられ、通信インタフェース58を介してベース構造パラメータや処理容器壁パラメータの入力或いは選択、又は、特別な適用のための伝熱モデルの選択をなす。
また、図3に示された実施形態は現場管理者インタフェース(LOI)66を含むことができる。該LOI66は、外面20の測定温度Θ、第2面28の測定温度Θ、ベース構造パラメータ及び処理容器壁パラメータに加えて内面22の温度Θを表示するために備えられている。また、LOI66は、温度測定アセンブリ10の構築をなすために備えられ、ベース構造パラメータや処理容器壁パラメータの入力或いは選択、又は、特別な適用のための伝熱モデルの選択をなす。
図1,図2及び図3に示された実施形態において、内径Rを有するパイプのための伝熱モデルには下式を用いることができる。
ベース構造パラメータはベース構造24の熱伝導率値K及びベース構造の厚さTを含む。処理容器壁パラメータは処理容器壁18の熱伝導率値K及び処理容器壁の厚さTを含む。従って、マイクロプロセッサ50は外面20の測定温度Θ、第2面28の測定温度Θ、ベース構造パラメータ及び処理容器壁パラメータに基づき、処理容器壁18における内面22の温度Θを決定するために、方程式[1]の伝熱モデルを用いることができる。
図4は本発明を具体化する温度測定アセンブリの他の実施形態の一部断面図であり、ここではベース構造は平坦なプレートである。該実施形態は例えば、平坦な側面を有する炉又は処理タンク等の平坦な側面を備えた処理容器に用いることができる。また、該実施形態は、ベース構造によって覆われる処理容器壁の部位が平坦面に近付く程に大きな内径Rを有したパイプ又は丸い処理タンクにも用いることができる。


図4の実施形態は、温度センサアセンブリ12のベース構造24が処理容器壁118に適応したベース構造124に置換されていることを除き、図1,図2及び図3に関して上述したものと同一である。処理容器壁118は、外面120及び内面122、そして厚さT’を含む平坦な壁である。温度センサアセンブリ12はベース構造124によって処理容器壁118の外面120に取り付けられている。センサチューブ16は電子機器ハウジング14(図1)を温度センサアセンブリ12のベース構造124に接続している。
ベース構造124は第1面126と、該第1面126からベース構造の厚さT’だけ離れた第2面128とを含む。第1面126は処理容器壁118の外面120の一部に物理的に接触すべく適合され、接触域130を形成する。第1温度センサ32はベース構造124を貫通して接触域130まで延び、処理容器壁118の外面120に物理的に接触している。このような配置によれば、第1温度センサ32は外面120の温度Θ’を測定する。第2温度センサ34はベース構造124の第2面128に物理的に接触し、第2面128の温度Θ’を測定する。
図1,図2及び図3に関して前述した実施形態と同様に、マイクロプロセッサ50はメモリ36からベース構造パラメータ及び処理容器壁パラメータを得る。フーリエの伝導法則等の伝熱モデルを使用し、マイクロプロセッサ50は外面120の測定温度Θ’、第2面128の測定温度Θ’、ベース構造パラメータ及び処理容器壁パラメータに基づき、処理容器壁118の内面122の温度Θ’を決定すべく適合されている。
図4に示された実施形態において、平坦な面のための伝熱モデルには以下の式を用いることができる。
ベース構造パラメータはベース構造124の熱伝導率値K’及び厚さT’を含む。処理容器壁パラメータは処理容器壁118の熱伝導率値K’及び厚さT’を含む。従って、マイクロプロセッサ50は外面120の測定温度Θ’、第2面128の測定温度Θ’、ベース構造パラメータ及び処理容器壁パラメータに基づき、処理容器壁118の内面122の温度Θ’を決定するために、方程式[2]の伝熱モデルを用いることができる。
本発明の実施形態は、容器壁に取り付けられたベース構造の厚さだけ離れた2つの温度センサと、内側の容器壁の温度を2つの温度センサからの測定値、ベース構造パラメータ及び処理容器壁パラメータの関数として提示するマイクロプロセッサを用いることで、容器壁内の処理流体の温度を非侵入にして測定するという課題を解決する。このようにして、太陽光、風又は雨等の大気条件を含む共通モードの影響が補償され、提示された温度値の正確さが改善される。
本発明は例示的な実施形態を参照して記載されているが、本発明の範囲から逸脱することなく、種々の変形や等価物への置換が可能であることは当業者に理解される処である。付け加えて、本発明の教示に対しては、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特別な状況又は材料に適合させる種々の変更が可能である。それ故、本発明は記載した実施形態に限定されず、添付の請求項の範囲内のすべての実施形態を含むことを意図するものである。

Claims (13)

  1. 処理容器壁と共に使用する温度センサアセンブリにおいて、
    ベース熱伝導率値(K )及びベース厚さ(T )を有したベース構造であって、容器熱伝導率値(K )、容器半径(R)及び容器厚さ(T )を有した前記処理容器壁の外面の一部に対する接触域を形成すべく適合された第1面と、該第1面から前記ベース構造の前記ベース厚さ(T だけ離れた第2面とを含む、ベース構造と、
    前記接触域内にて前記ベース構造を貫通して延び、前記処理容器壁における前記外面の温度を測定する第1温度センサと、
    前記ベース構造の前記第2面に配置され、前記ベース構造における前記第2面の温度を測定する第2温度センサと、
    前記第1温度センサ及び前記第2温度センサに接続されたプロセッサであって、前記第1温度センサから前記処理容器壁における前記外面の測定温度を受け取ると共に前記第2温度センサから前記ベース構造の前記第2面の測定温度を受け取り、前記処理容器壁の前記外面の測定温度、前記ベース構造の前記第2面の測定温度、ベース構造パラメータ及び処理容器壁パラメータの関数として、内部の処理容器壁温度値を決定するように適合されたプロセッサと
    を具備し、
    決定された前記内部の処理容器壁温度値は、前記処理容器壁における前記外面の前記測定温度、前記ベース構造の前記第2面の測定温度、前記ベース熱伝導率値(K )、前記容器熱伝導率値(K )、前記容器半径(R)及び前記容器厚さ(T )の関数である、温度センサアセンブリ。
  2. 前記ベース構造は湾曲プレートである、請求項に記載の温度センサアセンブリ。
  3. 前記ベース構造はパイプクランプであり、前記処理容器壁はパイプである、請求項に記載の温度センサアセンブリ。
  4. 処理容器壁と共に使用する温度測定アセンブリにおいて、
    温度センサアセンブリと
    前記温度センサアセンブリに接続された電子機器ハウジングと
    を具備し、
    前記温度センサアセンブリ
    ベース熱伝導率値(K )及びベース厚さ(T )を有したベース構造であって、容器熱伝導率値(K )、容器半径(R)及び容器厚さ(T )を有した前記処理容器壁の外面の一部に対する接触域を形成すべく適合された第1面と、該第1面から前記ベース構造の前記ベース厚さ(T だけ離れた第2面とを含む、ベース構造と、
    前記接触域にて前記ベース構造を貫通して延び、前記処理容器壁における前記外面の温度を測定する第1温度センサと、
    前記ベース構造の前記第2面に配置され、前記ベース構造における前記第2面の温度を測定する第2温度センサと
    を含み、
    前記電子機器ハウジング
    前記第1温度センサ及び前記第2温度センサに接続され、前記第1温度センサから前記処理容器壁における前記外面の測定温度を受け取る共に、前記第2温度センサから前記ベース構造における前記第2面の測定温度を受け取り、前記処理容器壁における前記外面の測定温度、前記ベース構造における前記第2面の測定温度、ベース構造パラメータ及び処理容器壁パラメータの関数として、内部の処理容器壁温度値を決定するように適合されたプロセッサと、
    前記プロセッサによって決定された前記内部の処理容器壁温度値を制御監視システムに伝送する通信インタフェースと
    を含み、
    決定された前記内部の処理容器壁温度値は、前記処理容器壁における前記外面の前記測定温度、前記ベース構造における前記第2面の測定温度、前記ベース熱伝導率値(K )、前記容器熱伝導率値(K )、前記容器半径(R)及び前記容器厚さ(T )の関数である、温度測定アセンブリ。
  5. 前記ベース構造は湾曲プレートであ、請求項に記載の温度測定アセンブリ。
  6. 前記ベース構造はパイプクランプであり、前記処理容器壁はパイプである、請求項に記載の温度測定アセンブリ。
  7. 前記通信インタフェースは、前記制御監視システムに前記内部の処理容器壁温度値を無線伝送する回路を含む、請求項に記載の温度測定アセンブリ。
  8. 前記電子機器ハウジングは現場管理者インタフェースを更に含み、該現場管理者インタフェースを通じて前記処理容器壁パラメータ( ,R,T )が前記プロセッサに提供される、請求項に記載の温度測定アセンブリ。
  9. 前記ベース構造パラメータ( B, )は、前記現場管理者インタフェースを通じて前記プロセッサに提供される、請求項8に記載の温度測定アセンブリ。
  10. 内部の処理容器壁温度値を非侵入にして決定する方法において、
    処理容器壁における外面の一部をベース構造で覆う工程であって、前記ベース構造が前記処理容器壁の前記外面の一部に対する接触域を形成すべく適合された第1面と、該第1面から前記ベース構造のベース厚さ(T )だけ離れた第2面を有する、工程と、
    前記処理容器壁における前記外面の温度を測定する工程と
    前記処理容器壁に背向した前記ベース構造の前記第2面の温度を測定する工程と
    前記処理容器壁における前記外面の測定温度、前記ベース構造における前記第2面の測定温度、ベース構造パラメータ及び処理容器壁パラメータに基づき、前記内部の処理容器壁温度値を決定する工程であって、決定された前記内部の処理容器壁温度値前記処理容器壁における前記外面の前記測定温度、前記ベース構造における前記第2面の測定温度、前記ベース構造のベース熱伝導率値(K )及び前記ベース厚さ(T )、並びに前記処理容器壁における容器熱伝導率値(K )、容器半径(R)及び容器厚さ(T )の関数である、工程と
    を具備する、方法。
  11. 前記ベース構造は湾曲プレートである、請求項10に記載の方法。
  12. 前記内部の処理容器壁温度値を決定するプロセッサに、前記ベース構造パラメータ( ,T )及び処理容器壁パラメータ( ,R,T )の少なくとも1つを入力する工程を更に具備する、請求項10に記載の方法。
  13. 前記内部の処理容器壁温度値の決定は伝熱モデルの使用を含む、請求項10に記載の方法。
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