JP6423892B2 - 赤外線検出器を用いてプロセス温度を測定する方法及びプロセス変数送信機 - Google Patents

Description

本発明は、工業プロセス制御および監視システムに関する。さらに具体的には、本発明は、工業プロセスにおける温度の測定に関する。

工業プロセスは、種々のプロセス流体の製造および移動、並びに電力発生を含むその他の事業に使用される。このような設備において、流量、レベル、圧力、温度などのプロセス流体のプロセス変数を測定するために、プロセス変数送信機が使用される。工業プロセス中で温度を測定するため、一般的に、工業プロセスのプロセス流体または構成要素に対して温度センサが熱的に結合される。温度センサの電気的特性は、センサの温度に基づいて変化する。電気的特性のこの変化は温度に関連付けられることができる。しかし、温度が非常に高いために温度センサの寿命が大きく低減される工業プロセスがいくつかある。また、温度センサは、いつかは温度センサを劣化もしくは完全に故障させることがあるプロセス材料にさらされることがある。このような例では、工業プロセスの重大な休止時間を導くことがある温度センサの交換が必要とされる。

米国特許第６，０５９，４５３号

工業プロセスにおける温度測定のためのプロセス変数送信機は、工業プロセス中の構成要素からの赤外線放射を受け取るように配置された赤外線検出器を含んでいる。メモリは、構成要素から受け取った赤外線放射を構成要素の内部温度に関連付ける温度特徴付け情報を格納する。測定回路は、構成要素から受け取った赤外線と温度特徴付け情報とに基づいて構成要素の内部温度を決定するように構成される。

図１は、工業プロセスの温度を測定するための赤外線検出器を有するプロセス変数送信機を含んでいる工業プロセスを示す簡略化された図である。 図２は、時間に対する温度および赤外線の大きさを例示するグラフである。 図３は、図１のプロセス変数送信機の構成要素を示す簡略化されたブロック図である。 図４は、一つの実施形態に従い、図３中に例示されたプロセス変数送信機によって実行されることができるステップを示す簡略化されたブロック図である。

背景技術で論じたように、工業プロセスにおける過度な温度は、温度センサを損傷するか、温度センサの寿命および精度を大きく低減することがある。例えば、ヘビー・フィード・ストックガス化プロセスにおいては、始動および運転中目的のための温度センサとして、代表的には熱電対が使用される。しかし、これらのセンサは、センサの損傷を招き、かつ非常に短い時間で完全に故障させてしまうであろう２０００℃程度の温度にさらされることがある。過度の温度に加え、プロセス中の石炭や石炭コークスなどの重い材料もまた温度センサを損傷させることがある。プロセス環境から熱電対温度センサを保護するために使用することができる技術が知られている。この一つの技術が、２０００年５月９日発行のサファイヤ製サーモウェル付き温度プローブという名称が付けられた米国特許第６，０５９，４５３号に示されていて、ここでは、温度センサは、サファイヤ容器によってプロセス環境から保護されている。しかし、このような保護によっても、サファイヤ容器に接触するプロセス中の前記重い材料のせいで、温度センサの寿命は４カ月以下であることがある。
本発明の一つの特徴では、工業プロセスにおいて、遠隔で温度を測定するための技術を使用することによってこれらの問題に対応する。例えば、赤外線検出器が、ガス化反応器の容器などのプロセス容器の外部壁またはその表面から発散される赤外線放射を監視するために使用されることができ、かつ以下により詳細に説明されるように内部温度を決定するために使用される。

図１は、工業プロセスの温度測定に使用されるプロセス変数送信機１２を含む工業プロセス１０を示し、かつ本発明の一実施形態を例示する簡単化された図である。送信機１２は、２線式プロセス制御ループ１８を介してプロセス制御室など、別の場所と通信する。例えば、ループ１８は、電力送信機１２として使用されることがある電流ループからなることができる。
データは、例えば、４〜２０ｍＡで変化するアナログ電流レベル、デジタル情報が４〜２０ｍＡの電流に変換されるハート（HART「登録商標」）通信プロトコル、ファンデーション・フィールドバスもしくはプロファイバス通信プロトコル等、適当なプロトコルに従ってループ１８上を搬送される。プロセス制御ループ１８は、無線通信技術を使用して実施することもできる。無線通信技術の一つの例は、ＩＥＣ６２５９１に従った無線ハート（HART「登録商標」）通信プロトコルである。標準のイーサネット(登録商標)、光ファイバー接合、もしくはその他の通信チャネルもまたループ１８を実施するために使用されてもよい。

図１に例示したように、送信機１２は、例えば、反応容器３２の表面からの赤外線放射１０４を受け取るように構成された赤外線検出器１００を含む。反応容器３２は、例えば、使用中に高温にさらされる工業プロセスにおいて使用され、石炭のガス化に使用されるプロセス容器、核反応器、導管もしくは格納器、その他の容器からなることがある。
送信機１２は、例えば、プロセス流体が反応容器３２内を搬送される工業プロセスの温度を直接測定するように構成された光学温度センサ２０に接続する。光学温度センサ２０は、以下により詳細に論ずるように反応容器３２の温度プロファイルの初期の特徴付けを実施するために使用されることができる。温度センサ２０は、熱電対、ＲＴＤもしくはその他の温度センサからなることができる。

図１に例示したように、送信機１２は、例えば、反応容器３２の外部壁であるプロセス表面から発散される赤外線放射１０４を遠隔で監視するように構成された赤外線検出器１００を含む。感知された赤外線放射は、反応容器３２の内部温度に関連付けられることができる。プロセス１０の始動時に、温度センサ２０によって感知された温度が、反応容器３２の外部表面から放出されて感知された放射１０４に関連付けられる特徴付けが実行される。
例えば、図２は、始動手順の時間に対する反応容器３２の内部温度５０と、反応容器３２の外部表面の外部表面温度と、反応容器３２の外部表面から放出される赤外線放射の大きさ５４とを例示するグラフである。反応容器３２の周囲温度と初期始動温度とによって、赤外線放射の大きさ５４は、初期オフセット量５６を含むことがある点に注目すべきである。図２に例示したように、赤外線の大きさ５４は、反応容器３２の内部温度に関連する。この関連に基づき、反応容器３２と感知された放射との間の相関関係が発現される。この相関関係を、感知された赤外線放射１０４における周囲温度の影響によって補償するために、追加の周囲温度センサ４０（図３に示す）もまた使用されることができる。この相関関係は、感知された放射を内部温度に関係付ける道筋を変化させることがある、変化速度、減衰特性、定常状態オフセット、並びに周囲温度における差異を考慮することがある。この相関関係の具体的な特性は、プロセスの初期始動中にセンサ２０を使用してプロセス温度を直接測定することによって、経験的に標準的(empirically imperially)に学習されることがある。
これらの特性が一旦学習されると、送信機１２によって赤外線測定値が処理され、かつ、補償が自動的に適用される。この特徴付け処理は自動的に実行され、かつオペレータによる重要な相互作用を必要としない。一般的に、図２に示すように反応容器３２の温度は赤外線放射の大きさに関連する。しかし、送信機１２は赤外線放射の波長に基づいてもまた動作してもよい。いくつかの形態では、特別な赤外線スペクトルに対する感度に対してセンサ１００をチューニングすることがまた望ましい。

光学温度センサ２０が適用されたならば、このセンサ２０を使って直接温度測定値が得られることができる。これらの直接温度測定は、センサ２０が最終的に故障するか、または、センサ２０を使用して得られる温度測定値と、赤外線検出器１００を使用して得られる測定値との間で大きな食い違いが生じるまで続けられることができる。
さらに、温度センサ２０が動作可能である期間中、この追加情報はシステム上の診断を実行するために使用されることができる。この診断は、２つのセンサからの測定値の差の観察や、２つのうち１つだけからの測定値の変化やパターンの注目、もしくは２つのセンサからの測定値を比較するその他の技術を含む。

図３は、プロセス変数送信機１２の簡略化されたブロック図であり、赤外線検出器１００、光学プロセス温度センサ２０、および周囲温度センサ４０を例示する。送信機１２は、メモリ２６に格納された指令に従い、クロック２８によって決定された速度で動作するマイクロプロセッサ２４を含む。通信回路（Ｉ／Ｏ）３０が、プロセス制御ループ１８上での通信に使用される。
ある実施例では、回路３０はまたプロセス制御ループ１８を通じて受け取った電力を送信機１２に供給する。図３に例示したように、赤外線検出器１００からの出力が、例えば、検出された赤外線信号の増幅、信号のデジタル化、補償、フィルタリング等を実行することがある処理回路１０２に供給される。デジタル化された出力は、マイクロプロセッサ２４に供給される。また、測定回路２２は、光学プロセス温度センサ２０を使って容器３２の内部温度を測定する。追加の周囲温度センサ４０もまた例示され、これは、赤外線信号１０４を使って形成された温度測定値の補償のためのプロセス環境内の周囲温度を測定するために使用される。

図４は、一実施形態に従った例示ステップ１５０の簡単なブロック図である。図４中のステップ１５０は、例えば、図３に示したメモリ２６内に格納された指示に基づいて、マイクロプロセッサ２４を使用して実施されることができる。
図４において、処理は、例えば、プロセス始動時中の条件処理である初期化をすることができる処理開始ブロック１５２から始まる。ブロック１５４では、受信した赤外線放射１０４の値、温度センサ２０を使って測定されたプロセス温度、および周囲温度センサ４０を使って測定された周囲温度が得られる。ブロック１５６では、測定された赤外線および周囲温度が、測定されたプロセス温度値と関連付けられる。
例えば、この関連付けは、多項式の係数が決定される曲線適合技術を使って実行される。これらの係数は、メモリ２６内に格納されることができる。高次の多項式が、より正確な結果を提供するために使用されることができる。ブロック１５８では、センサ２０からの測定されたプロセス温度が、例えば、プロセス制御ループ１８を通じて出力として供給される。
ブロック１６０では、プロセス温度センサ２０の状態が評価される。例えば、開回路状態が測定され、センサが上昇したインピーダンスを有し、もしくは誤作動が観察されたならば、故障が検出されることができる。センサ２０が故障でない場合、制御はブロック１５４に戻り、特徴付けおよび測定プロセスが続く。
ブロック１５４〜１６０は、特徴付け（または学習）フェーズとして動作する。特徴付けフェーズは、タイミング情報を含んでいて、反応器の外部表面が内部温度に関連して平衡に達したことを遅延として計算する。このフェーズの間、プロセス温度センサ２０を使って直接温度測定値が得られ、従って、プロセス温度は、測定された赤外線放射を使って推定される必要がないことに注目すべきである。特徴付けフェーズは、プロセス温度センサ２０が故障するか、予定された時間期間に基づくか、故障もしくは時間期間の終了の組み合わせか、またはその他のトリガがあるまで続くであろう。

プロセス温度センサが故障した場合、もしくはなんらかのその他の理由により補償フェーズが存在した場合、制御はブロック１６２に通過される。ブロック１６２では、赤外線検出器１００を使って赤外線放射が測定されるとともに、周囲温度センサ４０を使って周囲温度が測定される。
ブロック１６４では、メモリ２６に格納されていた特徴付け情報（多項式の係数など）が検索される。ブロック１６６では、この特徴付け情報に基づき、測定された赤外線放射および感知された周囲温度値の関数としてプロセス温度が計算される。ブロック１６８では、計算されたプロセス温度が、例えばプロセス制御ループ１８上に出力される。制御はそれからブロック１６２に戻ることができ、処理は続けられる。

上述したように、プロセス温度の決定において周囲温度を使うことは付加的である。しかし、周囲温度の測定は、内部プロセス温度の推定の精度を向上させるために使用されることができる。
また、本発明は周囲温度を使用することに限定されず、かつ、あらゆる追加的なプロセス変数がプロセス温度の決定に使用されることができる。追加的な温度入力、流量もしくはその他のプロセス状態に関連する入力、プロセス容器内の流体のタイプに関連した情報、もしくは実行された特殊な処理ステップなどを含む、その他のプロセス変数入力が使用される。受け取った赤外線放射１０４を特徴付けるために使用されることができるその他の情報は、時刻情報、時期情報、気象状態に関連する情報、周囲赤外線放射に関連する情報などを含む。

内部プロセス温度の推定においては、あらゆる適当な特徴付け技術が使用されることができる。上記の例は多項式を使った曲線適合を記述した。別の実施例はニューラルネットワークの使用もしくはその他の自己学習アルゴリズムを含む。このような形態では、特徴付けのアルゴリズムは、正常な運転を観察することによって学習される。向上されたニューラルネットワークおよび温度決定の精度は、追跡が起こっている間の期間を増大することによって得ることができる。
一次元または多次元の参照テーブル、最小二乗法適合および補間技術、スプライン適合などを含むその他の特徴付け技術もまた適用されることができる。また、この特徴付け処理は、装置の製造中またはなんらかのその他の時間に実行されることができ、メモリ２６に格納される。別の例では、標準化された特徴付けが、設備形態の仕様に基づいて選択されることができる。これは、監視されているプロセス容器３２の形態の個別の型、プロセス容器とマイクロ波センサ１００との距離、壁の厚さや熱伝導性などの、容器の個別の特性を選択することによってされるだろう。このような形態では、予め設定された特徴付け情報が、メモリ２６内に格納されることができる。プロセス変数送信機１２が作動している間は、オペレータが、設備の仕様に基づいて予め設定された特徴付け情報から選択することができる。特徴付けの、向上した精度は、実際の設備の、より具体的なモデリングを提供するための、オペレータによって選択されることができる情報の量を増やすことによって得られる。この特徴付け選択処理は、ローカル・オペレータ・インタフェース（ＬＯＩ）を使用することによって、プロセス制御ループ１８を通じた通信によって、もしくはその他の手段を通じて実行されるだろう。

本発明は、好ましい実施形態を参照して説明されたが、当業者は、本発明の精神および範囲から離れることなく形状および細部を変更できるだろうことを認識するだろう。ここでは反応容器を例示したが、本発明は、導管、格納器、モータもしくは加熱素子のような構成要素、排気スタックなどを含むあらゆるプロセス容器に使用されることができる。特殊な赤外線感知技術が適宜選択されることができる。単一素子が適用されてスポットセンサとして動作するように構成できるし、アレーもしくはその他の、より複雑な装置を使うことができる。プロセス容器３２の面を横切るか、複数のプロセス構成要素を横切る複数の場所からの赤外線放射を観察することにより、より正確な温度測定値を得られるだろう。これらは、重みづけ技術もしくは上述した曲線適合技術を使用して組み合わせることができる。
較正もしくは運転の特徴付けフェーズは、例えばプロセス制御ループ、もしくはその他の始動手続きを通じ、システムの始動に基づいて、もしくは命令の受信に基づいてトリガされることができる。例えば、特徴付けは、プロセスに結合された動作可能な温度センサの検出によって起こる。温度センサ２０および周囲温度センサ４０は、分離プロセス制御ループ、無線接続などを含む、局所化されたバス、直接のアナログ配線、延長されたネットワークを含むあらゆる適当な技術を使ってプロセス変数送信機１２と通信できる。例えば、周囲温度情報は、制御室などの別の場所から供給されることができる。
一つの例では、追加の温度センサ情報が診断を実行するのに使用できる。例えば、直接感知された温度の変化、もしくは周囲温度および受信された赤外線放射に基づいて決定された温度は、プロセス中の診断状態に関連する。
赤外線放射は、あらゆるソースからのものであり、代表的には、工業プロセス中の構成要素の表面から発散される。放射検出器の位置決めおよび方向は、所望のように選択されるべきである。赤外線放射検出器は、壊れないように、あらゆる熱源から十分に遠ざけて間隔をあけるのが好ましい。また、改善された精度は、赤外線放射検出器が、遮られていないプロセス容器の視界を有していることを確実にすることによって得られることができる。温度決定の精度は、対象のプロセス容器からの放射だけを受け取るように十分な指向性がある赤外線放射検出器を使用することによって改善されることができる。その他の発生源からの赤外線放射を遮断する目隠しとして作用するように、赤外線放射検出器のある部分またはすべての周辺部の周りに遮蔽装置が使用されることができる。

１０ 工業プロセス
１２ プロセス変数送信機
１８ ２線式プロセス制御ループ
２０ 光学プロセス温度センサ
２２ 測定回路
２４ マイクロプロセッサ
２６ メモリ
４０ 周囲温度センサ
１００ 赤外線検出器
１０２ 処理回路
１０４ 赤外線放射

Claims (15)

1. 工業プロセス中のプロセス温度を測定するためのプロセス変数送信機において、
   工業プロセス中のプロセス構成要素からの赤外線放射を受け取るように配置された赤外線検出器と、
   前記プロセス構成要素の内部に配置され、感知温度をプロセス温度として出力する温度センサと、
   プロセス構成要素から受け取った赤外線放射を前記温度センサの感知温度に関連づける特徴付け情報を格納するメモリと、
   前記温度センサが故障すると、プロセス構成要素の表面から受け取った赤外線放射と前記特徴付け情報とに基づいてプロセス構成要素の内部温度を決定するように構成された測定回路とを含むとともに、
   前記測定回路は、温度センサが故障するまでは、前記温度センサからの感知温度と前記受け取った赤外線放射との関連に基づいて前記特徴付け情報を発生するための特徴付けフェーズで動作することを特徴とするプロセス変数送信機。
2. 前記特徴付け情報が、多項式の係数からなる請求項１のプロセス変数送信機。
3. プロセス構成要素の内部温度を直接感知するように構成された温度センサを含んでいる請求項１のプロセス変数送信機。
4. 前記特徴付けフェーズが、工業プロセスの始動の間に入る請求項１のプロセス変数送信機。
5. 前記測定回路が、命令に応答して前記特徴付けフェーズに入る請求項１のプロセス変数送信機。
6. 前記プロセス構成要素が、プロセス流体を格納するプロセス容器からなる請求項１のプロセス変数送信機。
7. 前記特徴付け情報が、さらに、前記受け取った赤外線放射中の動向の関数である請求項１のプロセス変数送信機。
8. 前記特徴付け情報が、プロセス変数送信機の製造中に前記メモリに格納される請求項１のプロセス変数送信機。
9. 前記特徴付け情報が、オペレータによって選択可能である請求項１のプロセス変数送信機。
10. 決定された温度の出力をプロセス制御ループ上に供給するように構成された出力回路を含んでいる請求項１のプロセス変数送信機。
11. プロセス構成要素の内部温度が、プロセス構成要素内に格納されたプロセス流体の温度を含んでいる請求項１のプロセス変数送信機。
12. 周囲温度センサを含み、前記決定された内部温度が、さらに周囲温度の関数である請求項１のプロセス変数送信機。
13. 前記特徴付け情報が、周囲温度に関連する特徴付け情報を含んでいる請求項１２のプロセス変数送信機。
14. 工業プロセス中のプロセス流体の温度を測定するための方法において、
    赤外線放射検出器で、プロセス流体を搬送する工業プロセス中のプロセス構成要素からの赤外線放射を受け取り、
    温度センサを使用して前記プロセス構成要素の内部温度を感知し、
    メモリから温度特徴付け情報を読み出し、該温度特徴付け情報が、前記受け取った赤外線放射をプロセス流体の温度に関連付けるものであり、
    温度センサが故障するまで、温度センサからの感知された温度と前記受け取った赤外線放射とに基づいて温度特徴付け情報を決定し、
    温度センサが故障すると、前記温度特徴付け情報を前記受け取った赤外線放射に適用して、これに応答してプロセス流体の温度を決定し、かつプロセス流体の温度に関連する出力を供給する方法。
15. 工業プロセスの周囲温度を感知することを含み、前記温度特徴付け情報が、周囲温度を特徴付ける情報を含んでいる請求項１４の方法。