JP7343576B2 - 非侵襲的プロセス流体温度指示 - Google Patents

Description

背景技術
多くの工業プロセスは、パイプ又は他の導管を通してプロセス流体を運ぶ。このような流体としては、液体、気体、及びときには同伴された固体がある。これらのプロセス流体流は、衛生的な食品・飲料製造、水処理、高純度医薬品製造、化学処理、炭化水素抽出及び処理を含む炭化水素燃料工業並びに研磨性及び腐食性のスラリーを利用する水圧破砕技術をはじめとする多様な工業のいずれにおいても見られることがある。

温度センサをサーモウェル内に配置し、このサーモウェルを、導管中の開口を通してプロセス流体流に挿入することが一般的である。しかし、プロセス流体は、非常に高い温度を有する、非常に腐食性である、又はこれらの両方であるおそれがあるため、この手法は、常に実用的であるとはいえない。加えて、サーモウェルは、一般に、ねじ込みポート又は他の頑丈な機械的マウント／シールを導管中に必要とし、したがって、プロセス流体流システム中、既定の場所で設計されなければならない。したがって、サーモウェルは、正確なプロセス流体温度を提供するのには有用であるが、いくつかの制限を抱えている。

より最近、プロセス流体温度は、パイプなどのプロセス流体導管の外部温度を測定し、熱流計算を用いることによって推定されている。この外部的手法は、開口又はポートを導管中に画定することを要しないため、非侵襲的と考えられる。したがって、このような非侵襲的手法は、導管沿いの実質的にいかなる場所にも配備することができる。

プロセス流体温度推定システムは、プロセス流体温度推定システムをプロセス流体導管の外面に取り付けるように構成された取り付けアセンブリを含む。センサカプセルは、この中に配置された少なくとも一つの感温素子を有する。測定回路は、センサカプセルに結合され、温度とともに変化する少なくとも一つの感温素子の電気的特性を検出し、センサカプセル温度情報を提供するように構成されている。コントローラは、測定回路に結合され、基準温度を取得し、基準温度、センサカプセル温度情報及びプロセス流体導管の既知の熱伝導率とともに熱伝達計算を用いて推定プロセス流体温度出力を生成するように構成されている。基準温度は、末端温度センサ、プロセス通信、電子機器温度センサ、外部周囲温度センサ及び既知の熱的性質に基づく推定からなる群から選択される基準温度ソースから得られる。

本発明の実施形態が特に適用可能である熱流測定システムの概略図である。 本発明の実施形態が特に適用可能である熱流測定システム内の回路のブロック図である。 本発明の実施形態が特に適用可能であるセンサカプセルの概略断面図である。 本発明の実施形態にしたがって高温用途においてプロセス流体温度測定を提供する方法のフローチャートである。

詳細な説明
上記のように、プロセス流体温度は、パイプなどのプロセス流体導管の外部温度を測定し、熱流計算を用いることによって推定することができる。このようなシステムは一般に、パイプ外皮（外面）温度Ｔ_skin及び基準温度Ｔ_reference並びに熱インピーダンス値を熱流計算に使用して、導管内のプロセス流体温度を推論又は他の方法で推定する。この機構は一般に、プロセス流体からトランスミッタ末端までの熱伝導率が既知であることを必要とする。したがって、このようなシステムは、トランスミッタ末端温度センサが一般に、プロセス流体温度トランスミッタ末端又はパイプ外皮センサの「コールドエンド」に接続される、又は可能な限り近づけられることを必要とし得る。この位置関係が、システム中の測定点（Ｔ_skin、Ｔ_reference）の間でより良好な相関を提供する。プロセス温度が上昇すると、通常、システム中の温度分布が変化して、センサのコールドエンドを僅かに昇温させる。プロセス温度の正しい推論を提供するためには、この変化を理解することが重要である。周囲及びプロセス温度がほとんど、又は全く変化しない場合、プロセス温度の妥当な補正のために、外皮温度と取り付けられたアセンブリ中の別の温度点との間の直接測定は不要である。

図１は、本発明の実施形態が特に適用可能である熱流測定システムの概略図である。図示するように、システム２００は一般に、導管又はパイプ１００の周囲を締め付けるように構成されているパイプクランプ部分２０２を含む。パイプクランプ２０２は、クランプ部分２０２をパイプ１００に配置し、締め付けることを可能にするために、一つ以上のクランプイヤー２０４を有することができる。パイプクランプ２０２は、パイプクランプ２０２を開いてパイプに配置した後、閉じ、クランプイヤー２０４によって固定することができるよう、クランプイヤー２０４の一つをヒンジ部分に換えてもよい。図１に関して示すクランプが特に有用であるが、システム２００をパイプの外面の周囲に確実に配置するための適当な機械的装置を、本明細書に記載される実施形態にしたがって使用することができる。

システム２００は、ばね２０８によってパイプ１００の外径１１６に対して付勢される熱流センサカプセル２０６を含む。用語「カプセル」は、特定の構造又は形状を暗示する意図はなく、したがって、様々な形状、サイズ及び構成で形成されることができる。ばね２０８が示されているが、当業者は、センサカプセル２０６を付勢して外径１１６と連続的に接触させるために様々な技術を使用することができることを理解するであろう。センサカプセル２０６は一般に、測温抵抗体（ＲＴＤ）などの一つ以上の感温素子を含む。カプセル２０６内のセンサは、ハウジング２１０内のトランスミッタ回路に電気的に接続され、このトランスミッタ回路は、センサカプセル２０６から一つ以上の温度測定値を取得し、センサカプセル２０６からの測定値及び基準温度、例えば、ハウジング２１０内で測定された、又は他の方法でハウジング２１０内の回路に提供された温度に基づいてプロセス流体温度の推定値を計算するように構成されている。

一例において、基本熱流計算は、以下のように簡略化することができる。
Ｔ_corrected＝Ｔ_skin＋（Ｔ_skin－Ｔ_reference）＊（Ｒ_pipe／Ｒ_sensor）

式中、Ｔ_skinは導管の外面の測定温度である。加えて、Ｔ_referenceは、Ｔ_skinを測定する温度センサからの熱インピーダンス（Ｒ_sensor）を有する場所に関して得られた第二の温度である。Ｔ_referenceは通常、ハウジング２１０内の専用センサによって感知される。しかし、Ｔ_referenceは、他の方法で感知又は推論することもできる。例えば、熱伝達計算中の末端温度測定に代わるために温度センサをトランスミッタの外に配置することができる。この外部センサは、トランスミッタを取り囲む環境の温度を測定するであろう。もう一つの例として、工業用電子機器は通常、オンボード温度測定能力を有する。この電子機器温度測定値を、熱伝達計算のための末端温度の代替として使用することができる。もう一つの例として、システムの熱伝導率が既知であり、トランスミッタの周囲の周囲温度が固定又はユーザ制御されるならば、固定又はユーザ制御可能な温度を基準温度として使用することもできる。

Ｒ_pipeは、導管の熱インピーダンスであり、パイプ材料情報、パイプ壁厚さ情報などを得ることによって手動で取得することができる。追加的又は代替的に、較正中にＲ_pipeに関連するパラメータを決定し、その後の使用に備えて記憶することもできる。したがって、ハウジング２１０内の回路は、上記のような適当な熱流束計算を使用して、プロセス流体温度の推定値（Ｔ_corrected）を計算し、このようなプロセス流体温度に関する指示を適当な装置及び／又は制御室に送ることができる。図１に示す例において、このような情報は、アンテナ２１２を介してワイヤレスで送ることができる。

図２は、本発明の実施形態が特に適用可能である熱流測定システム２００のハウジング内の回路のブロック図である。システム２００は、コントローラ２２２に結合された通信回路２２０を含む。通信回路２２０は、推定プロセス流体温度に関する情報を運ぶことができる適当な回路であることができる。通信回路２２０は、熱流測定システム２００がプロセス流体温度出力をプロセス通信ループ又はセグメントを介して送ることを許容する。プロセス通信ループプロトコルの適当な例は、４－２０ミリアンペアプロトコル、Ｈｉｇｈｗａｙ Ａｄｄｒｅｓｓａｂｌｅ Ｒｅｍｏｔｅ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ（ＨＡＲＴ（登録商標））プロトコル、ＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ（商標）Ｆｉｅｌｄｂｕｓ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ及びＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴプロトコル（ＩＥＣ６２５９１）を含む。

熱流測定システム２００はまた、矢印２２６によって示すようにシステム２００の全ての構成要素にパワーを提供するパワー供給モジュール２２４を含む。熱流測定システム２００が有線プロセス通信ループ、例えば、ＨＡＲＴ（登録商標）ループ又はＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ（商標）Ｆｉｅｌｄｂｕｓセグメントに結合されている実施形態において、パワーモジュール２２４は、システム２００の様々な構成要素を作動させるためにループ又はセグメントから受けたパワーをコンディショニングするための適当な回路を含むことができる。したがって、このような有線プロセス通信ループ実施形態において、パワー供給モジュール２２４は、装置全体が、それが結合するループによって給電されることを可能にするための適当なパワーコンディショニングを提供することができる。他の実施形態において、ワイヤレスプロセス通信が使用される場合、パワー供給モジュール２２４は、パワーの供給源、例えば、バッテリ及び適当なコンディショニング回路を含むことができる。

コントローラ２２２は、カプセル２０６内のセンサからの測定値と、ハウジング２１０内の末端温度などの更なる基準温度とを使用して、熱流ベースのプロセス流体温度推定値を生成することができる適当な装置を含む。一例において、コントローラ２２２はマイクロプロセッサである。コントローラ２２２は通信回路２２０に通信可能に結合されている。

測定回路２２８は、コントローラ２２２に結合され、一つ以上の温度センサ２３０から得られた測定値に関するデジタル指示を提供する。測定回路２２８は、一つ以上のアナログ・デジタル変換器及び／又は一つ以上のアナログ・デジタル変換器を温度センサ２３０にインターフェースさせるための適当な多重化回路を含むことができる。加えて、測定回路２２８は、用いられる様々なタイプの温度センサに適切であり得るような、適当な増幅及び／又は線形化回路を含むこともできる。

温度センサ２３０は、例示的に、末端温度センサ２３２、電子機器温度センサ２３４を含み、ブロック２３６によって示すように、他のアイテムをも含むことができる。電子機器温度センサ２３４は、システム２００の電子回路に結合され、電子機器の温度を決定するために使用される。通常、電子機器温度センサ２３４は、電子回路を過熱から保護するために使用される。例えば、電子機器が特定の温度に達すると、ファンがオンになってその温度を下げる。一つの実施形態において、電子機器温度センサ２３４は、基準温度を感知する。

一つの実施形態にしたがって、システム２００はまた、ブロック２３８～２４２によって示すように、多様な異なる論理構成要素を含む。各論理構成要素は、コントローラ２２２によって実行されることができる多様な異なる機能を提供する。バックアップモード論理２３８は、末端温度センサ２３２の状態をモニタし、センサ故障又は誤動作の場合、バックアップモードをオンにする。すなわち、基準温度が末端温度センサ２３２以外のソースから受信されるモードである。これは、基準温度切り替えイベントの発生を決定するコントローラ論理の例である。このようにして、センサ故障又は誤動作の場合に、測定点を完全にオフラインにする必要はない。もう一つの例において、コントローラ２２２は、システム２００と現場技術者との対話を通して、又はプロセス通信を介して、代替基準温度ソースに切り替えるためのコマンドを受信することもできる。基準温度切り替えイベントの発生を決定するための他の適当な条件は、本明細書に記載される実施形態にしたがって実施されることができる。

通常動作中、導管外皮温度と末端温度測定値との間の相関に関する情報が、学習論理２３８によって学習されることができる。一方又は他方の測定点（末端温度又は外皮温度センサ）が故障するならば、学習された相関が更なるバックアップモードオプションとして適用されることができる。

システムの熱伝導率が既知である場合、及び／又はトランスミッタの周囲温度が固定又は制御される場合、推定論理２４２は、測定された外皮温度変化を用いて基準温度を計算することができる。

図３は、本発明の実施形態が特に適用可能であるセンサカプセルの概略図である。センサカプセル２０６は一般に、円柱形の側壁２５０と、それに結合されたエンドキャップ２５２とを含む。一例において、エンドキャップ２５２は銀で形成されている。一つ以上のＲＴＤ素子２５４が、エンドキャップ２５２の近くに配置され、サーマルグリース２５６を介してエンドキャップ２５２と熱的に連絡する状態で提供されている。導体２５８がＲＴＤ素子２５４をハウジング２１０内の測定回路に電気的に結合する。一つの実施形態において、素子２５４は、薄膜ＲＴＤ技術にしたがって形成されている。薄膜ＲＴＤは一般に、非常に頑丈かつ概して低コストであると考えられている。薄膜素子は通常、小さなセラミックチップを感温金属（例えば、白金）の非常に薄い（例えば、０.０００１インチ）膜で被覆したのち、金属膜中に抵抗経路をレーザ切断又は化学若しくは化学エッチングすることによって製造される。

図４は、本発明の実施形態にしたがって、熱流に基づいてプロセス流体温度を推定し、提供する方法のフローチャートである。方法５００は、パイプ１００などのプロセス流体導管の外径から温度を測定するブロック５０２から開始する。次いで、ブロック５０４で、記憶されている導管の熱伝導率を得る。この工程は、システムのコントローラ２２２のローカルメモリにアクセスすることにより、又はプロセスコントローラなどの外部装置と通信して、導管の熱伝導率を示す情報を受信することにより、実行することができる。

次いで、任意選択のブロック５０６で、基準温度を得る。この基準温度は多様な方法で得ることができる。例えば、基準温度は、ブロック５０８に示すように、基準温度を示すプロセス通信を受けることによって得ることもできる。あるいはまた、ブロック５１０で、基準温度はシステムによって測定される。一例において、この測定は、ハウジング２１０内の場所、例えば、ターミナルブロックにおける温度測定である。もう一つの例として、基準温度は、ブロック５１２によって示すように、電子機器温度センサを介して得ることもできる。しかし、これらは単なる例であり、測定は、プロセス流体導管１００の外径１１６に対して比較的固定された熱的関係を有する任意の場所から得ることができる。この固定された熱的配置を介して、プロセス流体導管から基準温度場所への熱の流れは固定され、したがって、上記の熱流計算に従う。

加えて、基準温度は、ブロック５１４に示すように、外部周囲温度センサによって得ることもできる。例えば、プロセス流体導管が、施設の環境制御された内部に配置されている場合、気候の公称温度（華氏７０度など）を基準温度として使用することができる。

さらに、基準温度は、十分に理解されているシステムにおいて、ブロック５１６によって示すように推定されることもできる。例えば、学習論理２３８が、基準温度との関係を示す、外皮温度と別の変数との間のパターンを決定する。次いで、推定論理２４２がこのパターンを使用して基準温度を決定する。

ブロック５１８で、導管外皮の測定温度、導管の熱伝導率及び基準温度を上記のような熱流計算に適用して、プロセス流体温度の推定値を計算する。最後に、ブロック５２０で、推定されたプロセス流体温度を出力する。一例において、出力は、プロセス通信プロトコルにしたがって、プロセス通信ループを介して送られる。

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、発明の精神及び範囲を逸脱することなく、形態及び詳細において変更を加えることができることを認識するであろう。例えば、本発明は、パイプの内径に関する診断に関して説明されたが、このような診断は、サーモウェル、より侵襲性の低いサーモウェル、外部温度及び絶縁された裸カプセルセンサに拡張することもできる。さらに、本発明は、非侵襲的プロセス流体推定システムに関して説明されたが、当業者は、本発明の特定の態様が、導管の中へ延びるという点で侵襲的であると考えられるサーモウェルにも適用可能であることを理解するであろう。

Claims (8)

1. プロセス流体温度推定システムを、既知の熱伝導率を有するプロセス流体導管の外面に取り付けるように構成された取り付けアセンブリと、
   その中に配置された少なくとも一つの感温素子を有し、前記少なくとも一つの感温素子が前記プロセス流体導管の外面の近くに位置するように配置されるセンサカプセルと、
   前記センサカプセルに結合され、温度とともに変化する前記少なくとも一つの感温素子の電気的特性を検出するように構成された測定回路と、
   前記測定回路に結合され、少なくとも一つの外面温度測定値を取得し、前記プロセス流体温度推定システムから間隔をおいた外部周囲温度センサから基準温度を取得し、及び前記基準温度、前記外面温度測定値及び前記プロセス流体導管の既知の熱伝導率とともに熱流計算を用いて推定プロセス流体温度出力を生成するように構成されたコントローラと、
   前記外部周囲温度センサの状態を監視し、第二の基準温度測定値を選択的に提供するように構成されたバックアップ論理と、
   を含むプロセス流体温度推定システム。
2. 前記バックアップ論理が、前記外部周囲温度センサの誤作動を検出し、前記第二の基準温度測定値を前記コントローラに自動的に提供するように構成された、請求項１に記載のプロセス流体温度推定システム。
3. 前記バックアップ論理が、前記第二の基準温度測定値を電子機器温度センサから受信する、請求項２に記載のプロセス流体温度推定システム。
4. 前記コントローラに結合され、プロセス通信ループプロトコルにしたがって通信するように構成された通信回路をさらに含む、請求項１に記載のプロセス流体温度推定システム。
5. 前記通信回路が、ワイヤレスで通信するように構成されている、請求項４に記載のプロセス流体温度推定システム。
6. 前記センサカプセルが、エンドキャップを有し、少なくとも一つの感温素子が、前記エンドキャップに熱的に結合されている、請求項１に記載のプロセス流体温度推定システム。
7. プロセス流体温度推定システムをプロセス流体導管の外面に取り付けるように構成された取り付けアセンブリと、
   その中に配置された少なくとも一つの感温素子を有するセンサカプセルと、
   前記センサカプセルに結合された、温度とともに変化する前記少なくとも一つの感温素子の電気的特性を検出し、センサカプセル温度情報を提供するように構成された測定回路と、
   プロセス通信を使用して基準温度を受信することと、
   前記測定回路に結合され、前記基準温度、前記センサカプセル温度情報及び前記プロセス流体導管の既知の熱伝導率とともに熱流計算を用いて推定プロセス流体温度出力を生成するように構成されたコントローラと、
   前記基準温度の状態を監視し、第二の基準温度測定値を前記コントローラに選択的に提供するように構成されたバックアップ論理と、
   を含むプロセス流体温度推定システム。
8. 導管内のプロセス流体温度を推定する方法であって、
   プロセス導管のすぐ近くの導管温度を取得する工程と、
   前記プロセス導管の熱伝導率情報を取得する工程と、
   プロセス通信を使用して基準温度ソースから基準温度を取得する工程と、
   前記基準温度を取得する際に誤作動があるか否かを判定し、誤作動の判定に基づいて、第二のソースから第二の基準温度を取得する工程と、
   前記導管温度、前記熱伝導率情報、少なくとも一つの前記基準温度及び前記第二の基準温度とともに熱流計算を使用してプロセス流体温度推定値を提供する工程と、
   前記プロセス流体温度推定値を出力として提供する工程と、
   を含む方法。
   

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