特表 2023-538068 感圧機能付きサーモウェル

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-09-06

(54)【発明の名称】感圧機能付きサーモウェル

(51)【国際特許分類】

   G01K 1/08 20210101AFI20230830BHJP

   G01L 19/14 20060101ALI20230830BHJP

   G01K 1/024 20210101ALI20230830BHJP

【ＦＩ】

G01K1/08 Z

G01L19/14

G01K1/024

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023511911

(86)(22)【出願日】2021-07-16

(85)【翻訳文提出日】2023-04-14

(86)【国際出願番号】 US2021041981

(87)【国際公開番号】W WO2022039862

(87)【国際公開日】2022-02-24

(31)【優先権主張番号】16/995,113

(32)【優先日】2020-08-17

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】597115727

【氏名又は名称】ローズマウント インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】110001508

【氏名又は名称】弁理士法人 津国

(72)【発明者】

【氏名】キャバノー，ジャック・エム

(72)【発明者】

【氏名】マイヤー，ニコラス・イー

(72)【発明者】

【氏名】ワグナー，アンドリュー・ジェイ

(72)【発明者】

【氏名】ストレイ，デビッド・エム

【テーマコード（参考）】

2F055

2F056

【Ｆターム（参考）】

2F055AA01

2F055AA31

2F055BB20

2F055CC02

2F055EE11

2F055EE25

2F055FF34

2F055GG25

2F056AE03

2F056AE07

2F056CL06

(57)【要約】

プロセス流体多変数測定システムが提供される。多変数測定システムは、プロセス流体導管（５０４）に結合し、プロセス流体導管（５０４）の壁（５０６）を貫通して延伸されるように構成されたサーモウェル（１００、２００、３００）を含む。多変数測定システムは、また、サーモウェル（１００、２００、３００）内に配置された温度センサーアセンブリ（１１０、２１０、３１０）を含み、温度センサーアセンブリ（１１０、２１０、３１０）は、そこに配置された少なくとも１つの素子感温素子（１１４、２１４、３１４）をも含む。多変数測定システムは、サーモウェル（１００、２００、３００）に結合された圧力センサーアセンブリ（１１８、２１８、３１８）も含み、圧力センサーアセンブリ（１１８、２１８、３１８）は、その中に配置された少なくとも１つの感圧素子（１２０、２２０、３２０）を有している。多変数測定システムは、温度センサーアセンブリ（１１０、２１０、３１０）及び圧力センサーアセンブリ（１１８、２１８、３１８）に通信可能に結合され、少なくとも１つの感温素子（１１４、２１４、３１４）から温度センサー信号を受け取り、温度センサー信号に基づいて温度測定出力を応答的に生成するように構成された送信機回路（４００）をさらに含む。送信機回路（４００）は、少なくとも１つの感圧素子（１２０、２２０、３２０）から圧力センサー信号を受信し、圧力センサー信号に基づいて、圧力測定出力を応答的に生成するようにさらに構成される。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

プロセス流体多変数測定システムであって、
プロセス流体導管に結合し、前記プロセス流体導管の壁を貫通して延伸され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ーアセンブリであって、その中に配置された少なくとも１つの感温素子を有する前記温度センサーアセンブリ、
前記サーモウェルに結合された圧力センサーアセンブリであって、その中に配置された少なくとも１つの感圧素子を有する前記圧力センサーアセンブリ、
前記温度センサーアセンブリ及び前記圧力センサーアセンブリに通信可能に結合された送信機回路であって、
前記少なくとも１つの感温素子から温度センサー信号を受信し、応答的に、温度センサー信号に基づいて、温度測定出力を生成し、及び、
前記少なくとも１つの感圧素子から圧力センサー信号を受信し、応答的に、圧力センサー信号に基づいて、圧力測定出力を生成する、
ように構成された前記送信機回路、
を含むプロセス流体多変数測定システム。

【請求項2】

前記送信機回路は、前記サーモウェルのアクセスホールを介して、前記圧力センサーアセンブリに結合するように構成されている、請求項１に記載のプロセス流体多変数測定システム。

【請求項3】

前記アクセスホールは、前記温度センサーアセンブリに隣接して配置される、請求項２に記載のプロセス流体多変数測定システム。

【請求項4】

前記アクセスホールは、前記温度センサーアセンブリと平行に配置される、請求項３に記載のプロセス流体多変数測定システム。

【請求項5】

前記アクセスホールは、前記サーモウェルの壁内に配置される、請求項３に記載のプロセス流体多変数測定システム。

【請求項6】

前記感圧素子は、前記プロセス流体導管内の検出された圧力に応答して、前記圧力センサー信号を生成するように構成された歪みゲージ式圧力センサーを含む、請求項１記載のプロセス流体多変数測定システム。

【請求項7】

前記感圧素子は、前記プロセス流体導管内の検出された圧力に応答して、前記圧力センサー信号を生成するように構成された静電容量式圧力センサーを含む、請求項１記載のプロセス流体多変数測定システム。

【請求項8】

前記感圧素子は、圧力センサーに通信可能に結合された圧力偏向ダイアフラムを含み、前記圧力センサーは、前記サーモウェルから離れて配置される、請求項２記載のプロセス流体多変数測定システム。

【請求項9】

前記圧力偏向ダイアフラムは、前記アクセスホール内に配置された圧力伝達物質によって、前記圧力センサーに通信可能に結合されている、請求項８に記載のプロセス流体多変数測定システム。

【請求項10】

前記圧力伝達物質は、油である、請求項９に記載のプロセス流体多変数測定システム。

【請求項11】

導管内の圧力を表示する方法であって、
サーモウェルをプロセス流体導管に結合するステップであって、前記サーモウェルが感圧素子を含む、ステップ、
前記プロセス流体導管内のプロセス流体の圧力を示すプロセス流体変数を検出するステップ、
前記検出されたプロセス流体変数に応答して、圧力信号を生成するステップ、
前記感圧素子から前記圧力信号を取得し、前記取得した圧力信号に基づいて、前記プロセス流体導管内の前記プロセス流体の前記圧力を測定するステップ、及び、
前記プロセス流体導管内の前記プロセス流体の前記圧力を示す出力を生成するステップ、
を含む方法。

【請求項12】

前記サーモウェルは、アクセスホールを含む、請求項１１に記載の方法。

【請求項13】

前記圧力信号を生成するステップは、前記検出されたプロセス流体変数に応答して、歪みゲージ式圧力センサーで圧力信号を生成することを含む、請求項１１に記載の方法。

【請求項14】

前記圧力信号を生成するステップは、前記検出されたプロセス流体変数に応答して、静電容量式圧力センサーで圧力信号を生成することを含む、請求項１１に記載の方法。

【請求項15】

前記プロセス流体変数を検出するステップは、圧力センサーに通信可能に結合された圧力偏向ダイアフラムで、前記プロセス流体の前記圧力を検出することを含み、前記圧力センサーは、前記サーモウェルから離れて配置される、請求項１１に記載の方法。

【請求項16】

多変数サーモウェルであって、
その中に配置された少なくとも１つの感温素子を有する温度センサーアセンブリ、
その中に配置された少なくとも１つの感圧素子を有する圧力センサーアセンブリ、及び、
前記サーモウェル内に配置されたアクセスホールであって、そこを介して前記圧力センサーアセンブリの結合を可能になるように構成されているアクセスホール、
を含む多変数サーモウェル。

【請求項17】

前記アクセスホールは、前記温度センサーアセンブリに隣接して配置される、請求項１６に記載の多変数サーモウェル。

【請求項18】

前記圧力センサーアセンブリは、前記サーモウェルの前記アクセスホールを介して送信機回路に結合するように構成される、請求項１６に記載の多変数サーモウェル。

【請求項19】

前記感圧素子は、多変数サーモウェルから離れて配置された圧力センサーに通信可能に結合された圧力偏向ダイアフラムを含む、請求項１６に記載の多変数サーモウェル。

【請求項20】

前記圧力偏向ダイアフラムは、前記アクセスホール内に配置された圧力伝達物質によって、前記圧力センサーに通信可能に結合される、請求項１９に記載の多変数サーモウェル。

【請求項21】

プロセス流体多変数測定システムであって、
プロセス流体導管に結合するように構成され、前記プロセス流体導管の壁を貫通して延伸されるサーモウェル、
前記サーモウェル内に配置された多変数センサーであって、その中に配置された少なくとも１つの多変数感応素子を有する多変数センサー、
前記多変数センサーに通信可能に結合された送信機回路であって、
前記少なくとも１つの多変数感応素子から温度センサー信号を受信し、応答的に、前記温度センサー信号に基づいて、温度測定出力を生成し、及び、
前記少なくとも１つの多変数感応素子から圧力センサー信号を受信し、応答的に、前記圧力センサー信号に基づいて、圧力測定出力を生成する、
ように構成される前記送信機回路、
を含むプロセス流体多変数測定システム。

【請求項22】

プロセス流体多変数測定システムであって、
プロセス流体導管に結合するように構成され、前記プロセス流体導管の壁を貫通して延伸されるサーモウェル、
前記サーモウェル内に配置された温度センサーアセンブリであって、その中に配置された少なくとも１つの感温素子を有する前記温度センサーアセンブリ、
前記サーモウェル内に配置された多変数センサーであって、その中に配置された少なくとも１つの多変数感応素子を有する前記多変数センサー、
前記温度センサーアセンブリ及び前記多変数センサーに通信可能に結合された送信機回路であって、
前記少なくとも１つの感温素子から温度センサー信号を受信し、応答的に、前記温度センサー信号に基づいて、温度測定出力を生成し、
前記少なくとも１つの多変数感応素子から圧力センサー信号を受信し、応答的に、前記圧力センサー信号に基づいて、圧力測定出力を生成し、及び、
前記少なくとも１つの多変数感応素子から追加の温度センサー信号を受け取り、応答的に、前記追加の温度センサー信号に基づいて、追加の温度測定出力を生成する、
ように構成される前記送信機回路、
を含むプロセス流体多変数測定システム。

【請求項23】

前記追加温度センサー信号は、バックアップ温度測定を提供するように構成される、請求項２２に記載のプロセス流体多変数測定システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

背景
多くの工業プロセスでは、パイプや他の導管を通してプロセス流体を搬送する。このようなプロセス流体には、液体、気体、及び、場合によっては、巻き込まれた固体を含むことができる。これらのプロセス流体は、衛生的な食品及び飲料の製造、水処理、高純度医薬品の製造、化学処理、炭化水素の抽出及び処理、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、を含む炭化水素燃料工業など、限定されないが、種々の工業のいずれかで見受けられることがある。

【0002】

工業用プロセス送信機及びセンサーアセンブリは、導管を流れるプロセス流体又は容器内に含まれるプロセス流体の特性を感知し、これらのプロセス特性に関する情報を、プロセス測定場所から遠隔に位置する、制御、監視及び／又は安全システム、に送信するために使用される。プロセス送信機は、一般的に、プロセスパラメータを反映する電流又は電圧ベースのアナログセンサー出力信号を送信するために使用されるセンサーワイヤを介して、センサーアセンブリに電気的に接続される。送信機は、これらのセンサー出力信号を読み取り、プロセスパラメータの測定値に変換する。最後に、送信機はその情報を制御システムに送信する。

【0003】

サーモウェル内に温度センサーを配置し、それを導管の開口部を通してプロセス流体の流れに挿入するのが一般的である。典型的な工業プロセス環境では、異なるプロセス特性の測定値を得るために追加の測定点を追加する機能は、プロセス環境の複雑な性質がゆえに困難である。例えば、典型的な工業プロセス環境において、異なるプロセス特性を測定するためには、通常、プロセス環境のインフラストラクチャを大幅に変更する必要があり、それとともにプロセス環境のインフラストラクチャを変更するために多額の財務コストがかかる。したがって、工業プロセス環境におけるサーモウェルの使用は、正確なプロセス流体温度を提供するのに有用であるが、多くの制限がある。

【発明の概要】

【0004】

プロセス流体多変数測定システムが提供される。多変数測定システムは、プロセス流体導管に結合(couple)され、そのプロセス流体導管の壁を貫通して延伸されるように構成された、サーモウェルを含む。多変数測定システムは、また、サーモウェル内に配置された温度センサーアセンブリをも含み、その温度センサーアセンブリは、その中に配置された少なくとも１つの感温素子を有する。多変数測定システムは、また、サーモウェルに結合された圧力センサーアセンブリも含み、その圧力センサーアセンブリは、その中に配置された少なくとも１つの感圧素子を有する。多変数測定システムは、さらに、温度センサーアセンブリ及び圧力センサーアセンブリに通信可能に結合され、少なくとも１つの感温素子から温度センサー信号を受信し、その温度センサー信号に基づいて温度測定出力を応答的に生成するように構成された送信機回路を含む。送信機回路は、さらに、少なくとも１つの感圧素子から圧力センサー信号を受信し、その圧力センサー信号に基づいて圧力測定出力を応答的に生成するように構成される。

【図面の簡単な説明】

【0005】

【図1】本発明の実施形態が特に適用可能な、プロセス流体多変数測定システムに実装するための多変数サーモウェルの概略図である。

【図2】本発明の別の実施形態に係る、プロセス流体多変数測定システムに実装するための多変数サーモウェルの概略図である。

【図3】本発明の実施形態に係る、プロセス流体多変数測定システムに実装するための多変数サーモウェルの概略図である。

【図4】本発明の実施形態が特に適用可能な、プロセス流体多変数測定システムの回路のブロック図である。

【図5A】本発明の実施形態が特に適用可能な、プロセス流体多変数測定システムの概略図である。

【図5B】本発明の実施形態が特に適用可能な、プロセス流体多変数測定システムの概略図である。

【図6】本発明の実施形態に係る、歪みゲージ(strain-gauge)式圧力センサーを有する多変数サーモウェルの概略図である。

【図7】本発明の実施形態に係る、静電容量式圧力センサーを有する多変数サーモウェルの概略図である。

【図8】本発明の実施形態に係る、プロセス流体多変数測定システムに実装するための多変数センサーの概略図である。

【図9】本発明の別の実施形態に係る、プロセス流体多変数測定システムに実装するための多変数サーモウェルの概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0006】

上記のように、工業プロセス環境の複雑な性質のために、異なるプロセス特性の測定値を得るための追加の測定点を追加することは困難である。例えば、工業プロセス環境において、圧力を検出することができるシステムを追加するためには、通常、新しいプロセス特性の測定のために、インフラストラクチャ内に新しいアクセスポイントを作成するなど、プロセス環境インフラストラクチャへの大幅な干渉及び変更を発生させる必要がある。さらに、そのような変更は、工業プロセス環境の導管内に存在する高温条件のために困難である。

【0007】

図１は、本発明の実施形態が特に適用可能な、プロセス流体多変数測定システムに実装するための多変数サーモウェルの概略図である。図示されているように、サーモウェル１００は、プロセス流体導管（例えば、図５Ａ～５Ｂに記載されているプロセス流体導管のような）に結合し、プロセス流体導管の壁を貫通して延伸されるように構成される。サーモウェル１００は、さらに、温度及び／又は圧力などのプロセス流体の測定値を取得するために、プロセス流体導管内のプロセス流体に概ね接触するように構成される。１つの実施形態としては、サーモウェル１００は、ねじ式サーモウェルである。しかし、他の実施形態としては、サーモウェル１００は、プロセス流体導管に結合可能なフランジ付きサーモウェル又は他のサーモウェル設計であることができる。サーモウェル１００は、一般的にさらに、その中に配置された温度センサーアセンブリ１１０と、センサーカプセル１１２とを含む。「カプセル」という用語は、特定の構造又は形状を意味することを意図しておらず、したがって、様々な形状、サイズ及び構成で形成することができる。温度センサーアセンブリ１１０は、一般的に、抵抗温度デバイス（ＲＴＤ）などの感温素子１１４を１つ以上含む。感温素子１１４は、アクセスホール１１６を介して、送信機回路（図示せず）に電気的に接続され、１つ以上の温度測定値を得られるように構成される。アクセスホール１１６は、一般的に、温度センサーアセンブリの結合部(coupling)１４０が、そこを介することが可能になるように構成される。センサーカプセル１１２は、伝送ループ、光ファイバーケーブル、無線リンク、又は何らかの他の接続を介して、送信機回路に電気的に接続されることができる。

【0008】

サーモウェル１００は、また、一般的に、サーモウェル１００内に配置されて、１つ以上の圧力測定値を得るように構成され、その中に配置された１つ以上の感圧素子１２０を含む圧力センサーアセンブリ１１８を含む。１つの実施形態としては、圧力センサーアセンブリ１１８は、歪みゲージ式センサーを含む。別の実施形態としては、圧力センサーアセンブリ１１８は、静電容量式圧力センサーを含むことができる。もちろん、他の実施形態としては、圧力センサーアセンブリ１１８は、電位差(potentiometer)センサー、共振線(resonant wire)センサー、又は圧力測定値を得ることができる他の圧力センサーなどの、異なるタイプの圧力センサーを含むことができる。さらに、１つの実施形態としては、圧力センサーアセンブリ１１８は、プロセス流体多変数測定システムにおいて、圧力及び温度の両方の測定値を同時に取得し、応答的に温度及び圧力センサー信号を生成するように構成された、図８で後述するような多変数センサーを含むことができる。多変数センサーを圧力センサーアセンブリ１１８に組み込むことにより、追加の温度測定値を得ることができる。多変数センサーによって得られる追加の温度測定は、何らかの機器エラーが発生した場合に、温度を測定する代替モードを提供する。例えば、多変数センサーと温度センサーアセンブリ１１０の両方によって得られる冗長な温度測定値は、他方が故障した場合に、バックアップの温度測定値を提供することができる。

【0009】

感圧素子１２０は、１つの実施形態としては、センサーカプセル１１２内に配置されることができる。しかしながら、代替の実施形態としては、感圧素子１２０は、センサーカプセル１１２の外側に配置されることができる。感圧素子１２０は、アクセスホール１２２を介して送信機回路（図示せず）に電気的に接続され、そのアクセスホールは、圧力センサーアセンブリ１１８をそこを介して結合（図示せず）できるように構成される。図示されるように、アクセスホール１２２は、温度センサーアセンブリ１１０に隣接して配置され、一般的に、サーモウェル１００の壁内に配置される。特に、アクセスホール１２２は、アクセスホール１１６とは別ではあるが、アクセスホール１１６に隣接して配置される。さらに示すように、アクセスホール１２２は温度センサーアセンブリ１１０と平行である。さらに図示されるように、アクセスホール１２２は、温度センサーアセンブリ１１０に対して平行である。しかしながら、代替の実施形態としては、アクセスホール１２２は、感圧素子１２０を送信機回路に結合できる他の方法で、温度センサーアセンブリ１１０に近接して配置されることができる。

【0010】

アクセスホール１２２は、多くの方法でサーモウェル１００の壁面に組み込むことができる。例えば、アクセスホール１２２は、ＥＤＭ機械加工又はガンボア切削(gun-bore drilling)技術を利用することによって組み込むことができる。アクセスホール１２２をサーモウェル１００に組み込むことにより、プロセス環境インフラストラクチャを大幅に変更することなく、圧力センサーアセンブリ１１８を追加することができる。

【0011】

図２は、本発明の別の実施形態に係る、プロセス流体多変数測定システムに実装するための多変数サーモウェルの概略図である。図２に図示されたシステムは、図１といくつかの類似点を有し、同様の構成要素には同様の番号が付されている。図示されるように、サーモウェル２００は、図５Ａ～５Ｂに記載されるプロセス流体導管のようなプロセス流体導管に結合し、プロセス流体導管の壁を貫通して延伸されるように構成される。サーモウェル２００は、さらに、温度及び／又は圧力などのプロセス流体の測定値を得るために、一般的に、プロセス流体導管内のプロセス流体に接触するように構成される。１つの実施形態としては、サーモウェル２００は、ねじ式サーモウェルである。しかし、他の実施形態としては、サーモウェル２００は、プロセス流体導管に結合することができるフランジ付きサーモウェル又は他のサーモウェルの設計物であることができる。

【0012】

サーモウェル２００は、さらに、一般的に、その中に配置された温度センサーアセンブリ２１０及び圧力センサーアセンブリ２１８、並びにセンサーカプセル２１２を含む。センサーカプセル２１２は、一般的に、１つ以上の感温素子２１４及び／又は１つ以上の感圧素子２２０を含む。１つの実施形態としては、温度センサーアセンブリ２１０及び／又は圧力センサーアセンブリ２１８は、歪みゲージ式センサーを含むことができる。しかしながら、他の実施形態としては、異なるタイプの圧力センサーを利用することができる（例えば、静電容量式圧力センサー）。さらに、１つの実施形態としては、圧力センサーアセンブリ２１８は、プロセス流体多変数測定システムにおいて、圧力及び温度の両方の測定値を同時に取得できるように構成された、図８で後述するような多変数センサーを含むことができる。多変数センサーを圧力センサーアセンブリ２１８に組み込むことによって、追加の温度測定値を得ることができる。

【0013】

感温素子２１４及び感圧素子２２０は、アクセスホール２１６を介して送信機回路（図示せず）に電気的に接続され、１つ以上の温度測定値及び／又は１つ以上の圧力測定値を取得できるように構成される。アクセスホール２１６は、一般的に、温度センサーアセンブリ２１０及び圧力センサーアセンブリ２１８の結合部(coupling)２４０が、そこを通過することが可能になるように構成される。感温素子２１４及び感圧素子２２０は、伝送ループ、光ファイバーケーブル、無線リンク、又は何らかの他の接続を介して送信機回路に電気的に接続されることができる。図２に示すように、１つの実施形態としては、圧力センサーアセンブリ２１８は、温度センサーアセンブリ２１０と同じアクセスホール２１６を共有する。圧力センサーアセンブリ２１８を温度センサーアセンブリ２１０と同じアクセスホール２１６内に組み込むことにより、サーモウェル２００に対する追加のアクセスホールを追加するような、追加の変更を行う必要がない。例えば、サーモウェルの壁の厚さが制限されているサーモウェル実施形態としては、圧力センサーアセンブリ２１８に対して、温度センサーアセンブリ２１０と同じアクセスホールを活用することにより、プロセス流体特性の多変数センシングが可能となる。１つの実施形態としては、感圧素子２２０は、その感圧素子をセンサーカプセル２１２に溶接などによって結合させることができるように、サーモウェル２００の先端をボーリングすることによって、センサーカプセル２１２の端部に組み込まれる。

【0014】

図３は、本発明の実施形態に係る、プロセス流体多変数測定システムに実装するための多変数サーモウェルの概略図である。図３に図示されたシステムは、図１及び図２といくつかの類似点を有し、同様の構成要素には同様の番号が付されている。図示されるように、サーモウェル３００は、図５Ａ～５Ｂに記載されたプロセス流体導管のようなプロセス流体導管に結合し、プロセス流体導管の壁を貫通して延伸されるように構成される。サーモウェル３００は、さらに、温度及び／又は圧力などのプロセス流体の測定値を得るために、一般的に、プロセス流体導管内のプロセス流体に接触するように構成される。１つの実施形態としては、サーモウェル３００は、ねじ式サーモウェルである。しかしながら、他の実施形態としては、サーモウェル３００は、プロセス流体導管に結合可能なフランジ付きサーモウェル、又は他のサーモウェルの設計物であることができる。サーモウェル３００は、さらに、一般的に、サーモウェル３００内に配置された温度センサーアセンブリ３１０を含む。温度センサーアセンブリ３１０は、一般的に、抵抗温度デバイス（ＲＴＤ）などの１つ以上の感温素子３１４を含む。感温素子３１４は、アクセスホール３１６を介して送信機回路（図示せず）に電気的に接続され、１つ以上の温度測定値を取得するように構成される。アクセスホール３１６は、一般的に、温度センサーアセンブリの結合部(coupling)３４０が、そこを介することが可能になるように構成される。温度センサーアセンブリ３１０は、伝送ループ、光ファイバーケーブル、無線リンク、又は何らかの他の接続を介して送信機回路に電気的に接続されることができる。

【0015】

サーモウェル３００は、一般的にサーモウェル３００の中に配置されて、その中に配置された１つ以上の感圧素子３２０を含む圧力センサーアセンブリ３１８を含む。図示されるように、圧力センサーアセンブリ３１８は、さらに、アクセスホール３２２を含む。１つの実施形態としては、アクセスホール３２２は、圧力伝達物質３２４で満たされ、感圧素子３２０は、プロセス流体導管内のプロセス流体を圧力伝達物質３２４に流体的に結合させる膜３２６を含む。圧力伝達物質３２４は、例えば、油であることができる。しかしながら、他の実施形態としては、圧力伝達物質３２４は、圧力の指示を伝達することができる別の流体であることができる。アクセスホール３２２は、さらに、圧力伝達物質３２４が、一般的に３３２で示される圧力偏向ダイアフラムを介して、圧力センサー３３０に結合することを可能にするチューブ３２８を含む。圧力偏向ダイアフラムは、例えば、薄膜ダイアフラム、波形ダイアフラム、又は圧力センサー３３０を圧力伝達物質３２４に結合させることができる他のダイアフラムであることができる。したがって、図示されるように、圧力センサー３３０は、サーモウェルから離れた場所に配置されることができ、アクセスホール３２２内の圧力伝達物質３２４を介して送信され、送信機回路（図示せず）によって受信される、圧力示度を介して、圧力センサー信号を生成させることができる。これにより、高温プロセスなどの過酷なプロセス条件が、多変数サーモウェル３００の感圧機能に干渉することを防ぐことができる。

【0016】

図４は、本発明の実施形態が特に適用可能な、プロセス流体多変数測定システムの回路のブロック図である。システム４００は、図１～３に記載された多変数サーモウェルの素子といくつかの類似点を有し、同様の構成要素には同様の番号が付されている。システム４００は、また、ブロック４３６で示されるように、同様に、他の品目も含むことができる。システム４００は、コントローラ４２４に結合された通信回路４２２を含む。通信回路４２２は、図１～３及び図９に記載されているような、多変数サーモウェルで得られたプロセス流体温度及び／又は圧力に関する情報を伝達できる任意の適切な回路とすることができる。通信回路４２２は、プロセス流体多変数測定システム内に配置された多変数サーモウェルが、伝送ループなどのプロセス通信ループ又はセグメントを介して、プロセス流体の温度及び／又は圧力の出力を、通信することを可能にする。プロセス通信ループプロトコルの好適な例としては、４－２０ミリアンペアプロトコル、HART（登録商標）(Highway Addressable Remote Transducer)プロトコル、FOUNDATION（登録商標） Fieldbusプロトコル、及びWireless HARTプロトコル(IEC 62591)が含まれる。

【0017】

システム４００は、また、矢印４２８によって示されるように、システム４００の全ての構成要素に電力を供給する電源モジュール４２６も含む。システム４００が、HART（登録商標）ループ、又はFOUNDATION（登録商標）フィールドバスセグメントなどの有線プロセス通信ループに結合される実施形態としては、電源モジュール４２６は、システム４００の様々な構成要素を動作させるために、ループ又はセグメントから受け取った電力を調整するための適切な回路を含むことができる。したがって、そのような有線プロセス通信ループの実施形態としては、電源モジュール４２６は、デバイス全体が、それが結合されるループによって電力供給されることを可能にするために、適切な電力調整を提供することができる。他の実施形態としては、無線プロセス通信が使用される場合、電源モジュール４２６は、バッテリなどの電力源と、適切な調整回路と、を含むことができる。

【0018】

コントローラ４２４は、通信回路４２２に通信可能に結合され、温度センサーアセンブリ４１０及び圧力センサーアセンブリ４１８からの測定値を使用して、熱流ベースのプロセス流体温度の出力及びプロセス流体圧力の出力を生成することができる、任意の適切な配置を含んでいる。例えば、コントローラ４２４は、温度センサーアセンブリ４１０内の感温素子４１４から温度センサー信号を受信し、応答的に、温度センサー信号に基づいて温度測定出力を生成することができる。代替的に、又は追加的に、コントローラ４２４は、圧力センサーアセンブリ４１８内の感圧素子４２０から圧力センサー信号を受信し、その圧力センサー信号に基づいて、応答的に、圧力測定出力を生成することができる。出力は、オペレータ、機械、又は他のデバイスに提供することができる。さらに、その出力は、プロセス流体多変数測定システム内の温度及び／又は圧力測定値を示すことができる、視覚出力、聴覚出力、又は他の出力であることができる。１例としては、コントローラ４２４は、マイクロプロセッサである。

【0019】

測定回路４３０は、コントローラ４２４に結合され、温度センサーアセンブリ４１０及び圧力センサーアセンブリ４１８から得られた測定値に関するデジタル表示を提供する。測定回路４３０は、１つ以上のアナログ－デジタル変換器、及び／又は温度センサーアセンブリ４１０及び圧力センサーアセンブリ４１８にその１つ以上のアナログ－デジタル変換器をインターフェースするための適切な多重化回路を含むことができる。さらに、測定回路４３０は、使用される様々な種類のセンサーに適した、適切な増幅、及び／又は線形化の回路を含むことができる。

【0020】

温度センサーアセンブリ４１０は、例示的に感温素子４１４を含み、ブロック４３２によって示されるように、他の品目も含めることができる。そのような他の品目の１例としては、振動センサーである。感温素子４１４は、アクセスホール（図示せず）を介して、システム４００の電子回路に結合され、プロセス流体多変数測定システム内のプロセス流体の温度を示す温度センサー信号を生成するために使用される。圧力センサーアセンブリ４１８は、例示的に、感圧素子４２０を含み、ブロック４３４によって示されるように、他の品目も含めることができる。他の品目の例としては、振動センサーである。感圧素子４２０は、アクセスホール（図示せず）を介して、システム４００の電子回路に結合され、プロセス流体多変数測定システムの圧力を示す圧力センサー信号を生成するために使用される。１つの実施形態としては、感圧素子４２０は、感温素子と同じアクセスホールを介して、システム４００の電子回路に結合される。しかしながら、他の実施形態としては、感圧素子は、温度センサーアセンブリ４１０で使用されるアクセスホールとは別の追加のアクセスホールを使用する。例えば、アクセスホールは、温度センサーアセンブリに隣接して配置されるか、温度センサーアセンブリに平行に配置されるか、又は別の方法でサーモウェルの壁内に配置されることができる。

【0021】

図５Ａ～５Ｂは、本発明の実施形態が特に適用可能な、プロセス流体多変数測定システムの概略図である。図５Ａに図示されたシステムは、図５Ｂといくつかの類似点を有し、同様の構成要素には同様の番号が付されている。図示されるように、システム５００は、一般的に、プロセス流体導管５０４に結合し、プロセス流体導管の壁５０６を貫通して延伸されるように構成されたサーモウェル５０２を含む。サーモウェル５０２は、さらに、温度及び／又は圧力などのプロセス流体の測定値を取得するために、プロセス流体導管５０４内のプロセス流体５０８に接触するように構成される。サーモウェル５０２は、さらに、一般的に、サーモウェル５０２内に配置された温度センサーアセンブリ５１０を含み、さらに、図１～３に示されるセンサーカプセルを含む。システム５００は、一般的に、図１に関して上述した感温素子１１４のような、サーモウェル５０２内に配置された１つ以上の感温素子（図示せず）を含む。感温素子は、１つ以上の温度測定値を取得するように構成されて、図４に図示される、送信機回路に電気的に接続される。

【0022】

プロセス流体多変数測定システム５００は、また、サーモウェル５０２に結合された圧力センサーアセンブリ５１８をも含む。圧力センサーアセンブリ５１８は、典型的には、図１に関して上述した感圧素子１２０のような、そこに配置された１つ以上の感圧素子（図示せず）を有する。プロセス流体導管５０４内でプロセス流体５０８と接触すると、温度センサーアセンブリ及び圧力センサーアセンブリは、それぞれ、サーモウェル５０２内に配置された感温素子及び感圧素子を使用して、温度センサー信号及び／又は圧力センサー信号を生成して、送信機回路に送信するように構成される。図４に関して上述したように、送信機回路は、温度センサー信号及び／又は圧力センサー信号を受信し、応答的に、受信した信号に基づいて、温度測定出力及び／又は圧力測定出力を生成する。出力は、一般的に、プロセス流体導管５０４内のプロセス流体５０８の温度及び／又は圧力を示す。代替的に、又は追加的に、出力は、プロセス流体導管５０４内の環境の温度及び／又は圧力を示すものであることができる。

【0023】

図５Ａに示されるように、サーモウェル５０２は、フランジ付き取付具を含む。しかし、図５Ｂでは、サーモウェル５０２は、ねじ付き取付具を含む。図５Ａに図示されているように、フランジ付き取付具５２４は、一般的に、サーモウェル５０２をプロセス流体導管５０４のノズル５３０に結合するように構成されたボルト５２６を含む。フランジ付き取付具５２４は、さらに、そこを通してのプロセス流体の流れを防止するように構成されたシーリングリング５２８を含む。シーリングリング５２８は、Ｏリングシール、又はプロセス流体５０８をプロセス流体導管５０４にシールすることができる任意の他のシールであることができる。

【0024】

図５Ｂに図示されるように、サーモウェル５０２は、代替的に、サーモウェル５０２をプロセス流体導管５０４に結合するために、サーモウェル５０２上のねじ（図示せず）に結合するように構成された、ねじ付き取付具５３２を含んでもよい。ねじ付き取付具５３２は、そのねじ付き取付具５３２をプロセス流体導管５０４の壁５０６に結合するように構成された溶接部５３４を含む。ねじ付き又はフランジ付きのいずれかの実施形態で多変数サーモウェルを使用することで、これにより、プロセス流体環境内で、感温機能及び／又は感圧機能を用いることが可能になるように、様々なサーモウェルの設置を可能にすることができる。

【0025】

図６は、本発明の実施形態に係る、歪みゲージ式圧力センサーを有する多変数サーモウェルの概略図である。サーモウェル本体６００は、一般的に、サーモウェル本体内に配置され、圧力センサーアセンブリを、そこを介して結合できるよう構成されたアクセスホール６０２を含む。サーモウェル本体６００は、さらに、プロセス流体導管内で検出された圧力に応答して、圧力センサー信号を生成するように構成された歪みゲージ式センサー６０４を含む。歪みゲージ式センサーは、適応カラー６０６を含み、その適応カラーは、歪みゲージ式センサー６０４をサーモウェル本体６００に結合するように構成される。歪みゲージ式センサー６０４は、結合機構(coupling mechanism)６０８で適応カラー６０６に結合される。結合機構６０８は、例えば、適応カラー６０６を歪みゲージ式センサー６０４に結合する溶接部であることができる。

【0026】

歪みゲージ式センサー６０４は、さらに、プロセス流体導管の圧力を検出し、検出された圧力を示す圧力信号を生成するように構成された圧力センサー素子６１０を含む。１つの実施形態としては、歪みゲージ式センサー６０４は、さらに、一般的に、チャネル６１４内に配置された圧力伝達物質を含む。圧力伝達物質は、隔離ダイアフラム６２０によってプロセス流体から流体的に隔離され、圧力センサー素子６１０に圧力の指標を伝える。このようにして、圧力センサー信号を応答的に生成するために、圧力指標は、プロセス流体から圧力伝達物質を介して、圧力センサー素子６１０に伝達されることができる。圧力伝達物質は、例えば、油であることができる。しかしながら、他の実施形態としては、圧力伝達物質は、圧力の指標を伝達することができる他の流体であることができる。

【0027】

隔離ダイアフラム６２０は、ラッチングポイント６１６を介して、圧力センサー６０４に結合され、プロセス流体を、圧力伝達物質及び圧力センサー素子６１０から隔離するように構成される。１つの実施形態としては、ラッチングポイント６１６は、溶接部である。歪みゲージ式センサー６０４は、さらに、スクリーン６１２を含む。歪みゲージ式センサー６０４の先端にスクリーン６１２を組み込むことにより、歪みゲージ式センサーは、カプセル化され、通過する破片(debris)から保護され、同時に後流周波数(wake frequency)から制限されることができる。言い換えれば、流れの特性が最適化され、その結果、圧力及び／又は温度の測定が改善される可能性を有する。

【0028】

図７は、本発明の実施形態に係る、静電容量式圧力センサーを有する多変数サーモウェルにおけるセンサーカプセルの概略図である。サーモウェル本体７００は、一般的に、圧力センサーアセンブリの結合部(coupling)７０４が、そこを介することが可能になるように構成されたアクセスホール７０２を含む。図示されたように、結合部７０４は、ケーブルワイヤを含む。しかしながら、他の実施形態としては、結合部７０４は、圧力伝達物質、２本以上のワイヤケーブル、又は無線リンクであることができる。サーモウェル本体７００は、さらに、プロセス流体導管内の検出された圧力に応答して、圧力センサー信号を生成するように構成された静電容量式圧力センサー７１４を含む。静電容量式圧力センサーアセンブリを使用することにより、圧力センサーアセンブリの結合部は、アクセスホール７０２内など、サーモウェル本体７００内の様々な場所に配置されることができる。

【0029】

静電容量式圧力センサー７１４は、さらに、プロセス流体導管内のプロセス流体に結合するように構成されたサーモウェルの端部の近くに配置された静電容量式プレート７０８を含む。静電容量式プレート７０８は、１つの実施形態としては、電極７１０と、プロセス流体導管内の圧力の指標を生成して伝達するように構成された圧力偏向ダイアフラム７１２と、を含む。１つの実施形態としては、静電容量式プレート７０８は、ガラス材料で形成される。このようにして、圧力の指標の生成及び伝達を可能にするために、圧力偏向ダイアフラム７１２と電極７１０との間の空洞(cavity)７１４に真空を形成することができる。１つの実施形態としては、圧力偏向ダイアフラム７１２は、波形ダイアフラムである。しかしながら、他の実施形態としては、圧力偏向ダイアフラム７１２は、薄膜ダイアフラムであることができる。

【0030】

図８は、本発明の実施形態に係る、プロセス流体多変数測定システムに実装するための多変数センサーの概略図である。センサー８００は、一般的に、１つ以上の温度測定値及び／又は１つ以上の圧力測定値を取得するように構成される。特に、センサー８００は、プロセス流体多変数測定システムにおいて、圧力及び温度の両方の測定値を同時に取得するように構成されることができる。１つの実施形態としては、センサー８００は、歪みゲージ式センサーである。図示されるように、センサー８００は、その抵抗値に、歪みと温度の両方が依存する抵抗器８０２～８０８、を含む。温度（Ｖｒｅｆに相関）が変化すると、抵抗器８０２～８０８は、抵抗値を、同様の方向で、同様の値だけ変化させる。さらに、圧力（Ｖｏｕｔに相関する）が増加すると、抵抗器８０２及び８０６は、抵抗値を同様の値で増加させる一方で、抵抗器８０４及び８０８は、抵抗値を同様の値で減少させる。このようにして、センサー８００は、プロセス流体測定システム内で、圧力及び温度の測定値を同時に得ることができる。

【0031】

図９は、本発明の別の実施形態に係る、プロセス流体多変数測定システムに実装するための多変数サーモウェルの概略図である。図９に図示されたシステムは、図１といくつかの類似点を有し、同様の構成要素には同様の番号が付されている。図示されるように、サーモウェル９００は、図５Ａ～５Ｂに記載されるプロセス流体導管のようなプロセス流体導管に結合し、プロセス流体導管の壁を貫通して延伸されるように構成される。サーモウェル９００は、さらに、温度及び／又は圧力などのプロセス流体の測定値を取得するために、一般的に、プロセス流体導管内のプロセス流体に接触するように構成される。１つの実施形態としては、サーモウェル９００は、ねじ式サーモウェルである。しかし、他の実施形態としては、サーモウェル９００は、プロセス流体導管に結合可能なフランジ付きサーモウェル又は他のサーモウェルの設計物であることができる。

【0032】

サーモウェル９００は、さらに、サーモウェル９００のセンサーカプセル９１２内に、一般的に、配置された多変数センサー９２０を含む。センサーカプセル９１２は、例えば、図８に関して上述した多変数センサーに類似する多変数センサー９２０を含むことができる。１つの実施形態としては、多変数センサー９２０は、歪みゲージ式センサーである。しかし、他の実施形態としては、異なるタイプの多変数センサーを利用することができる。多変数センサー９２０は、アクセスホール９１６を介して、送信機回路（図示せず）に電気的に接続され、１つ以上の温度測定値及び／又は１つ以上の圧力測定値を取得するように構成される。特に、多変数センサー９２０は、プロセス流体多変数測定システムにおいて、圧力及び温度の両方の測定値を同時に取得し、応答的に、温度及び圧力のセンサー信号を生成するように構成されることができる。多変数センサー９２０は、例えば、一般的に、その中に配置され、１つ以上の温度及び圧力の測定値を取得するように構成された１つ以上の多変数感応素子を含む。アクセスホール９１６は、一般的に、多変数センサー９２０の結合部(coupling)９４０が、そこを介することが可能になるように構成される。多変数センサー９２０は、伝送ループ、光ファイバーケーブル、無線リンク又は他の何らかの接続を介して、図４に関して上述した回路などの送信機回路に電気的に接続されることができる。動作中に、送信機回路は、少なくとも１つの多変数感応素子から温度及び圧力のセンサー信号を受信し、受信したセンサー信号に基づいて、応答的に、温度及び圧力測定出力を生成することができる。図８に関して上述したものと同様の多変数センサーを組み込むことによって、別々のセンサーアセンブリを必要とせずに、プロセス環境の温度及び圧力の両方を決定することができる。

【0033】

本発明では、好ましい実施形態を参照して説明されているが、当業者は、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、形態及び詳細に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、本発明の実施形態は、感圧機能を有するサーモウェルに関して説明されているが、流量、レベル、ｐＨ、振動、侵食を含むがこれには限定されない他のプロセス変数センサーも、サーモウェル内に実装することができる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【国際調査報告】