JP7005531B2 - 改善されたプロセス侵襲を有するプロセス流体温度計測システム - Google Patents

Description

プロセス産業は、化学、パルプ、石油、医薬品、食品、及びその他の流体処理プラント内の固体、スラリー、液体、蒸気、及び気体などの物質に関連するプロセス変数を監視するためにプロセス変数送信器を使用する。プロセス変数は、圧力、温度、流量、レベル、濁り度、密度、濃度、化学組成、及びその他の特性を含んでいる。

プロセス流体温度送信器は、プロセス流体温度に関連する出力を提供する。温度送信器の出力は、プロセス制御ループを介して制御室に伝達されうるか、又はプロセスが監視され制御されうるように別のプロセスデバイスに伝達されうる。

従来、プロセス流体温度送信器は、温度センサをプロセス流体に熱的に結合するサーモウェルに結合されていたか又はサーモウェルを使用していたが、もしサーモウェルがなければ、温度センサをプロセス流体との直接接触から保護しかつ隔離する。サーモウェルは、プロセス流体とその中に配置された温度センサとの間の実質的な熱接触を保証するためにプロセス流体内に配置される。

サーモウェルは一般的に、サーモウェルがプロセス流体によって提供される多くの課題に耐えることができるように比較的堅牢な金属構造を用いて設計される。このような課題は、物理的な課題（例えばプロセス流体がサーモウェルを比較的高い速さで通過すること）、熱的課題（例えば極端に高い温度）、圧力課題（例えばプロセス流体が高圧で搬送又は貯蔵されること）、化学的課題（例えば腐食性プロセス流体によってもたらされるもの）を含みうる。

サーモウェルとの連携動作の難しさを増加させる多くの要因が、プロセス流体計測システムに存在する。１つの問題は、サーモウェルがプロセス流体システムに貫入的かつ侵襲的であることである。これは、温度センサをプロセス流体に結合させるために、サーモウェルがプロセス流体導管（例えばパイプ）の壁を貫通しなければならないからである。加えて、サーモウェルは、通常、多くの関連する要因について定期的な評価を必要とする。さらに、サーモウェルは一般に、温度計測の応答時間を増加させる。

サーモウェルは、多くの環境において様々な理由で使用されている。サーモウェルは、温度センサをプロセス流体と熱的に連絡させるための強固で効果的な導管を提供する。さらに、サーモウェルは、温度センサカプセルを容易に曲げたり、壊したり、腐食させたりするプロセス流体導管内を流れる物質からセンサカプセルを保護する。さらにサーモウェルは、プロセスを停止することなく温度カプセルを較正及び交換のために容易に取り外すことを可能にする。

プロセス流体温度計測システムは、プロセス流体導管に結合し且つ上記プロセス流体導管の壁を通って延在するように構成されたサーモウェルを含む。温度センサアセンブリが上記サーモウェル内に配置され、第１の感温素子と第２の感温素子とを含む。上記第１の感温素子は、上記サーモウェルの遠位端に隣接して上記サーモウェル内に配置されている。上記第２の感温素子は、既知の熱伝導率を有するスペーサに沿って上記第１の感温素子から離間している。送信回路は、上記第１及び第２の感温素子に結合され、且つ熱流束計算を実行しプロセス流体温度出力を提供するように構成されている。

従来技術によるサーモウェルに結合されたプロセス流体温度計測システムの概略図である。 本発明の１実施形態によるプロセス流体温度計測システムの概略図である。 抵抗成分を用いてモデル化された熱伝導の線図である。 本発明の１実施形態によるプロセス流体温度計測システムの概略図である。 本発明の１実施形態によるプロセス流体温度計測システムの概略図である。 本発明の１実施形態によるプロセス流体温度計測システムの概略図である。

プロセス流体計測システムにおいてサーモウェルを使用するための１つの設計上の考慮事項は、サーモウェルが最高の精度を達成するためには、一般にパイプ直径の約３分の１の長さでプロセス流体に挿入されるべきであるということである。この設計上の考慮の主な理由は、プロセス流体導管温度からの温度センサ素子への影響を低減又は最小限にすることである。さらに、大きなパイプ直径に対して所望の挿入深さを達成するためには、より長いサーマルウェルが必要とされる。しかし、要因、例えば、渦流放出、物質の衝撃、及びウォーターハンマーが、サーモウェルの強度にとってより大きな関心事項となる。この設計及び他の設計上の考慮事項を念頭において、ユーザは、一般的にはミリメートル分解能で指定されたサーモウェル長さを必要とするため、サーモウェルの製造業者は、サーモウェルの様々な可能な長さについてかなりの在庫を維持する必要がある。サーモウェルは、通常、かなりの量の材料を使用して堅牢に作られる。このような堅牢な設計はサーモウェルの寿命を向上させるが、プロセス温度の変化に対するサーモウェルの応答性を遅くする可能性がある。いくつかの用途において、急速に変化する温度は、プロセスの欠陥、例えば反応の暴走に関連する。この場合、反応を遅らせるためにプロセスに物質が添加されうるように、これが起こっていることを出来る限り早く理解することが非常に重要である。したがって、少なくともいくつかの本明細書に記載された実施形態は、応答時間を短縮しうる。

図１は、従来技術によるサーモウェルに結合されたプロセス流体温度計測システムの概略図である。図１に示されたように、プロセス流体１００は、プロセス流体導管１０２を通って流れる。サーモウェル１０４は、導管の壁を通して開口部（即ちプロセス貫入部）１０６内に搭載される。典型的には、サーモウェル１０４は、堅牢な結合を形成するように、開口部１０６の内側ねじに係合する外側ねじを有している。しかし、いくつかの実施形態において、サーモウェルは、管壁に溶接されてもよく、又は他の配置、例えば一対の嵌合フランジ及びガスケットを使用して管壁に結合されてもよい。とにかく、サーモウェル１０４は一般に、ステンレス鋼のような堅牢な材料から形成され、温度センサアセンブリ１１０が内部に延びることを可能にする大きさの内部チャンバ１０８を有する。温度センサアセンブリ１１０は、プロセス流体１００の温度を計測するためにサーモウェル１０４内に配置された温度センサを含む。

図２は、本発明の別の実施形態によるプロセス流体温度計測システムの概略図である。プロセス流体温度計測システム３００は、導管壁１０２に結合されたサーモウェル２００を含む。サーモウェル２００は比較的短く（図１に示すサーモウェル１０４と比較して）、管壁１０２に直接機械的に結合される。図２に示すように、システム３００は、複数の感温素子３０４、３０６を含む温度センサアセンブリ３０２を含む。感温素子３０４、３０６は、任意の適切な温度感知装置で形成されうる。感温素子は、温度によって変化する電気的特性を有する何等かの適切なデバイス又は装置でありうる。適切な例には、抵抗温度デバイス（ＲＴＤ）、サーミスタ、熱電対、又はその他の適切なデバイスが含まれる。センサアセンブリ３０２の感温素子３０４、３０６は、一般に、送信器ハウジング３１０内の送信回路３１１に結合される。送信回路（以下に説明する）は、一般に、感温素子３０４、３０６の電気特性を計測するか、計測された温度に関連するプロセス流体温度出力を生成する。

プロセス流体温度計測システムからの出力は、プロセス通信ループ（例えば４～２０ミリアンペアループ）を介して提供されえ、又はHighway Addressable Report Transducer（ＨＡＲＴ（商標））に従ってデジタル的に提供されうる。プロセス通信プロトコルの別の例は、Profibus-PA通信プロトコル及びFOUNDATIONTM（商標）Fieldbus Protocolが含まれる。さらに、適切な無線技術が、有線プロセス通信プロトコルに加え又はその代わりに使用されうる。適切な無線プロセス通信プロトコルの一例は、WirelessHART規格（IEC 62591）に従うものである。

図２に示されるように、感温素子３０４は、サーモウェル２００の遠位端３０５に隣接して配置され、そして感温素子３０６は、既知の又は比較的一定の熱伝導率を有する素子３０８によって感温素子３０４からセンサアセンブリ３０２に沿って離間している。２つ以上の感温素子をセンサアセンブリ３０２内にスペーサ３０８によって隔てられた異なる位置で配置することにより、送信器ハウジング３１０内の電子回路３１１は、プロセス流体１００の温度を推測するのに熱流束計測を使用しうる。図２に示されるように、感温素子３０４及び３０６は、スペーサ３０８によって温度カプセル３０２内で分離され、管壁温度及びプロセス流体温度の両方によって著しく影響を受ける位置に配置される。本明細書で使用される「スペーサ」は、２つの要素の間の距離及び熱伝導率を制御又は設定する何らかの物理的な構造又は配置である。したがって、スペーサは、固体、粉末（例えば酸化マグネシウム粉末）から、又は空隙からさえも形成されうる。温度センサ素子３０６のいかなる変化も感温素子３０４の温度に影響を及ぼし、その逆も同様である。この相関関係が与えられると、熱流束計算は、図３に示されたもののように単純化されうる。図２は、プロセス流体導管１０２内に延在するサーモウェル２００を示しているが、サーモウェルがプロセス容器又は導管内に突出していない実施形態に対しては、熱流束計測は効果的に行なわれうることが注目される。

図３は、抵抗成分を用いてモデル化された熱伝導の線図である。具体的には、ノード３５０に示されたプロセス流体１００の熱は、サーモウェルの熱インピーダンス（線図的にＲ_twell３５２で示される）を通して感温素子３０４のノードＳ２に流れる。次に、熱はスペーサ素子３０８に沿ってノードＳ１へ流れ、ノードＳ１では温度は感温素子３０６によって感知される。スペーサ３０８を通る熱インピーダンスは、線図的にはＲ_snsr３５４としてモデル化されている。最後に、ノードＳ１での熱は、ノード３５６で示された管壁１０２へ又は管壁１０２から流れうる。ノードＳ１から管壁ノード３５６への熱インピーダンスは、線図的にＲ_adapter３５８として図示されている。これらの量が与えられると、プロセス流体の温度は、感温素子３０４で計測された温度に、素子３０４と３０６で計測された温度との差にＲ_twell／Ｒ_snsrを掛けた温度をプラスしたものに等しい。

図４は、図２及び図３に示されたプロセス流体温度計測システムの概略図である。具体的には、センサアセンブリ３０２は、スペーサ３０８によって分離された感温素子３０４、３０６を含んでいる。感温素子３０４、３０６の各々は、送信器ハウジング３１０内の計測回路３２０に動作可能に結合されている。計測回路３２０は、その温度感知の電気特性を測定するように感温素子３０４及び３０６の各々を係合することができる電気回路の任意の適切な配置を含んでいる。計測回路３２０は、１以上のアナログ・デジタル変換器、及び何らかの適切なスイッチング回路、例えばマルチプレクサを含みうる。さらに、計測回路３２０はまた、何らかの適切な線形化回路及び／又は増幅回路を含みうる。計測回路３２０は、一般的に、感温素子３０４、３０６の電気的特性のデジタル表示をコントローラ３２２に提供する。１の実施形態において、コントローラ３２２は、マイクロプロセッサ又はマイクロコントローラ、又は計測回路３２０からのデジタル指示を受信することができ且つ図３に関して記載された熱流束計算を実行しうる任意の別の適切な回路でありうる。また、図４に示されたように、コントローラ３２２は、通信モジュール３２４に結合されている。

通信モジュール３２４は、温度計測システムがプロセス通信ループを介してプロセス流体温度出力を通信することを可能にする。上述されたように、プロセス通信ループプロトコルの適切な例は、４～２０ミリアンペアプロトコル、ＨＡＲＴ（商標）、FOUNDATION（商標）Fieldbus Protocol、及びWirelessHART（ＩＥＣ 62591）を含んでいる。プロセス流体温度計測システム３００はまた、矢印３２８で示されたように、システムの全てのコンポーネントに電力を供給する電力供給モジュール３２６を含む。プロセス流体温度計測システムが、有線プロセス通信ループ、例えばＨＡＲＴ（商標）ループ、又はFOUNDATION（商標）Fieldbus Protocolに結合される実施形態において、電力供給モジュール３２６は、システム３００の様々なコンポーネントを動作させるためにループから受信した電力を調整するための適切な回路を含みうる。したがって、このような有線プロセス通信ループの実施形態において、電力供給モジュール３２６は、デバイス全体が結合されているループによってデバイス全体に電力供給されるように、適切な電力調整を提供しうる。別の実施形態において、無線プロセス通信が用いられる場合、電力供給モジュール３２６は、電源、例えばバッテリ及び適切な調整回路を含みうる。

図５は、本発明の１実施形態によるプロセス流体温度計測システム３９０の概略図である。図５に示されたように、サーモウェル４００は、管壁１０２に取り付けられ、管壁１０２を通してプロセス流体１００に延在する。図１に示された配置と比較すると、サーモウェル４００は、サーモウェル１０４程には、プロセス流体導管内に延びていない。この差により生じる一部分は、カラー（collar:襟）４０２によって提供されるところの断熱部によって利用される。カラー４０２は、開口部１０６の内面に係合するように構成されている。例えば、カラー４０２は、開口部１０６の内側ねじと係合する外側ねじを含みうる。カラー４０２は次に、サーモウェル４００と係合してサーモウェル４００を管壁１０２に確実かつ密封的に取り付けるのに適した内部構造を含みうる。しかし、カラー４０２は、サーモウェル４００が構成されている材料と比較して熱伝導性を低下させた材料から構成されうる。サーモウェル４００の周りにカラー４０２を用いることは、プロセスからの温度が導管１０２からの影響を低下させて温度センサへ伝搬されることを可能にする。サーモウェル４００のステムとプロセス導管１０２との間に熱抵抗性材料を用いることにより、必要な計測精度を維持しつつサーモウェルの長さを短縮することができる。熱抵抗材料は、関与するプロセス流体圧力に耐えることができ及びプロセス流体へ適切な耐薬品性を提供することができる任意の適切な有機又は無機材料でありうる。適切な材料の例には、セラミックス、及び有機材料、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）が含まれる。サーモウェル４００の周りにカラー４０２を設けることにより、サーモウェル４００はより少ない質量でより迅速に応答し、また、監視（wake）頻度の計算の必要性を大幅に低減させる。さらに、一般にミリメートルまで指定されている現在市販されているサイズと比較して、このような「短い」サーモウェルサイズが必要となると考えられる。さらに、断熱性材料、例えばガスケットは、サーモウェルの取付フランジと管のスタンドオフ（standoff）との間に配置されうる。

図６は、本発明の１実施形態によるプロセス流体温度計測システムの概略図である。プロセス流体温度計測システム５００は、システム３９０（図５に関して記載）と多くの類似点を有し、同様の部品には同様に番号が付けられている。システム５００とシステム３９０との主要な違いは、システム５００が単一の感温素子３０４を持つセンサアセンブリを有することである。従って、断熱性カラー（例えばカラー４０２）を用いることによって、プロセス流体導管への／プロセス流体導管からの十分な熱流が防止されうること、及び短いサーモウェル（サーモウェル１０４に対して）が使用されうることが明確に期待される。

図２～４について記載された熱流束計測の実施形態が一対の感温素子に対して記載されているけれども、当業者は、冗長性のために及び／又は精度の向上のために追加の温度センサをセンサアセンブリ３０２内で使用しうることを認識するであろう。さらに、カラー４０２は断熱性カラーとして記載されているが、この記載は単にサーモウェル４００の材料との比較にすぎない。したがって、カラー４０２の熱伝導率がサーモウェル４００の熱伝導率よりも低い限り、カラー４０２は、断熱性であると考えられうる。さらに、サーモウェル自体が、より高い熱インピーダンスを有するプロセス導管側部に異なる合金を用いて設計されうることが明白に期待される。このように、サーモウェルのステムの高温端部は、プロセス流体からセンサ素子へ熱を伝播させるために、高い熱伝導性を有しうる。さらに、サーモウェルのフランジは、本明細書に記載の断熱性を達成するために、より高い熱コンダクタンスを有するサーモウェルのステムに取り付けられた相対的に低い熱コンダクタンスを用いて構成されうる。

Claims (11)

1. プロセス流体温度計測システムであって、
   プロセス流体導管の壁へ結合されるように形成された断熱性カラー、
   前記断熱性カラーに結合するように且つ前記プロセス流体導管の壁を通って延在するように構成されたサーモウェル；
   前記サーモウェル内に配置された温度センサアセンブリであって、前記温度センサアセンブリが、
   前記サーモウェルの壁から離間し、前記サーモウェル内に配置された第１の感温素子と、
   前記サーモウェル内に配置され、前記サーモウェルの遠位端に隣接し、既知の熱伝導率を有して粉末から形成されたスペーサに沿って前記第１の感温素子から離間した第２の感温素子と、
   を含む温度センサアセンブリ；及び
   送信回路であって、
   前記第１及び第２の感温素子に結合された計測回路と、
   プロセス通信プロトコルに従って通信するように構成された通信回路と、
   前記計測回路と前記通信回路に結合されたマイクロプロセッサであって、前記第１及び第２の感温素子からの各信号に基づいて第１及び第２の各温度の値を計算し、前記第１及び第２の各温度の値と前記スペーサの前記既知の熱伝導率を使用して熱流束計算を実行し、前記通信回路を使用して前記プロセス通信プロトコルに従い、プロセス流体温度出力を提供するマイクロプロセッサと、
   を含む送信回路；
   を備えている、
   上記プロセス流体温度計測システム。
2. 前記熱流束計算は、前記サーモウェルの遠位端の熱伝導率と、前記第１及び第２の感温素子の間の前記スペーサの熱伝導率に基づく、請求項１に記載のプロセス流体温度計測システム。
3. 前記熱流束計算は、前記スペーサの熱伝導率に対する前記サーモウェルの遠位端の熱伝導率の比に基づく、請求項２に記載のプロセス流体温度計測システム。
4. 前記熱流束計算は、前記第２の感温素子によって計測された温度から前記第１の感温素子によって計測された温度が減算された差に、前記比が乗算され、さらに、前記第２の感温素子によって計測された温度が加算されたものに基づく、請求項３に記載のプロセス流体温度計測システム。
5. 前記粉末は、酸化マグネシウム粉末である、請求項１に記載のプロセス流体温度計測システム。
6. 前記断熱性カラーは、前記サーモウェルに係合するように構成された内側ねじと、前記導管壁に係合するように構成された外側ねじとを有し、前記断熱性カラーは、サーモウェルの熱伝導率よりも小さい熱伝導率を有する、請求項１に記載のプロセス流体温度計測システム。
7. 導管内のプロセス流体温度を検出する方法であって、
   前記導管の壁へ断熱性カラーを結合すること；
   前記断熱性カラーへ前記導管の壁を通って延在するように構成されたサーモウェルを結合すること；
   プロセス流体温度送信機の計測回路を使用して、前記サーモウェル内で前記サーモウェルの壁から離間した位置に配置された第１の感温素子を用いて第１の温度を感知すること；
   前記プロセス流体温度送信機の計測回路を使用して、前記サーモウェル内の遠位端に隣接した第２の感温素子を用いて第２の温度を感知し、前記第２の感温素子は、既知の熱伝導率を有して粉末から形成されたスペーサによって前記第１の感温素子から離間していること；及び
   前記プロセス流体温度送信機のマイクロプロセッサを使用して、前記第１及び第２の感知された各温度と前記スペーサの前記既知の熱伝導率を用いて熱流束の計算を実行すること；
   前記第１及び第２の感知された各温度と前記熱流束に基づいて、プロセス通信プロトコルに従って、プロセス流体温度出力を提供すること；
   を包含する、
   上記方法。
8. 前記粉末は、酸化マグネシウム粉末である、請求項７に記載の方法。
9. 前記プロセス流体温度出力は、前記プロセス流体温度送信器の通信回路を用いて提供される、請求項７に記載の方法。
10. 前記プロセス流体温度出力は、有線プロセス通信チャネルを介して提供される、請求項９に記載の方法。
11. 前記プロセス流体温度出力は、無線で提供される、請求項９に記載の方法。

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