JP2012230100A - 高温環境用センサおよび同センサを組み立てる方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】高温用高インピーダンスセンサ組立体を所望の信号体雑音比並びに厳しい高温環境下でも動作を容易にする。
【解決手段】センサ組立体200は、外側ハウジングおよび外側ハウジングの中に配置された少なくとも1つの高インピーダンス検出デバイス204を含む。センサ組立体は、外側ハウジングの中に配置された少なくとも1つの広バンドギャップ半導体デバイス256を備えるバッファ回路250も含む。バッファ回路は、少なくとも1つの高インピーダンス検出デバイス204に動作可能に結合されている。
【選択図】図3
【解決手段】センサ組立体200は、外側ハウジングおよび外側ハウジングの中に配置された少なくとも1つの高インピーダンス検出デバイス204を含む。センサ組立体は、外側ハウジングの中に配置された少なくとも1つの広バンドギャップ半導体デバイス256を備えるバッファ回路250も含む。バッファ回路は、少なくとも1つの高インピーダンス検出デバイス204に動作可能に結合されている。
【選択図】図3
Description
本明細書で説明される主題は、一般にセンサに関し、より詳細には、高温環境用センサおよび同センサを組み立てる方法に関する。
少なくともいくつかの既知の高インピーダンスセンサ組立体は、おおよそ摂氏225°(華氏437°)まで、およびこれを超過する高温環境向けに製造された検出要素を含む。しかし、これら既知の検出要素と通信結合された既知の電子デバイスは、おおよそ摂氏225°(華氏437°)を上回る温度の環境では、むらなく確実な動作ができない可能性がある。多くの工業用途に、実質的に連続した、すなわち、長期間、例えば約5,000時間を超過する露出期間にわたる、およそ摂氏−55°(華氏−67°)からおよそ摂氏600°(華氏1112°)の温度範囲の環境が含まれる。したがって既知の高温用高インピーダンスセンサ組立体は、所望の信号対雑音比(SNR)ならびにおおよそ摂氏225°(華氏437°)まで、およびこれを超過する厳しい高温環境における生存性で動作することを容易にするための特別の補装具を必要とする。
このような特別の補装具は、おおよそ摂氏225°(華氏437°)以上の高温環境で、センサ組立体の中の電子デバイスを動作させることを容易にするための補助冷却デバイスの使用を含むことがある。このような補助冷却デバイスは、熱交換デバイス、例えば流体冷媒システムに結合された冷却コイルを含むことがある。しかし、これらの補助冷却デバイスにより、センサ組立体を組み立てる原価が増加し、このような組立体の障害発生という別の可能性が追加される。そのうえ、これらの補助冷却デバイスは、極端に大きく、かつ/または極端に重くなることが多い。
また、このような特別の補装具は、検出要素から伝送された信号を受け取るデバイスとの有効な接続を容易にする無機絶縁(MI)ケーブルを含むことがある。しかし、このようなMIケーブルは、より標準的なシールドケーブルより頑丈かつ頑健であり、したがって「ハードラインケーブル」と称されることがあるが、MIケーブルは標準的なシールドケーブルより購入するのに高価である。また、ケーブルの不屈性により、MIケーブルは曲げるのが困難であり、産業設備を通してルーティングするのが困難で、特別の工作機械類が必要とされ、それによって据え付け費がさらに増加する。さらに、おおよそ摂氏225°(華氏437°)以上の高温環境については、電子デバイスが検出要素から分離される。このような状況では、電子デバイスは、検出要素からかなりの距離に配置されることがあり、それによって、据え付け費がさらに増加し、また、予期せぬケーブル故障およびノイズに対する妨害感受性が上昇することによって動作の信頼性に悪影響が及ぶ可能性がある。
一態様では、センサ組立体が提供される。このセンサ組立体は、外側ハウジングおよび外側ハウジングの中に配置された少なくとも1つの高インピーダンス検出デバイスを含む。このセンサ組立体は、外側ハウジングの中に配置された少なくとも1つの広バンドギャップ半導体デバイスを備えるバッファ回路も含む。バッファ回路は、少なくとも1つの高インピーダンス検出デバイスに動作可能に結合されている。
別の態様では、センサ組立体を組み立てる方法が提供される。この方法は、少なくとも1つの高インピーダンス検出デバイスをハウジングの中に位置決めするステップを含む。この方法は、広バンドギャップ半導体基板を設けるステップと、その上に少なくとも1つの広バンドギャップ半導体デバイスを画定するステップとを含む、バッファ回路を製作するステップも含む。この方法は、バッファ回路をハウジングの中に位置決めするステップも含む。この方法は、バッファ回路を少なくとも1つの高インピーダンス検出デバイスに動作可能に結合するステップをさらに含む。
さらに別の態様では、データ収集システム(DAS)が提供される。DASは、少なくとも1つのDASキャビネットおよび少なくとも1つのDASキャビネットと通信結合された少なくとも1つの入出力(I/O)端子板を含む。DASは、複数のセンサ組立体も含む。複数のセンサ組立体のそれぞれが、外側ハウジングと、外側ハウジングの中に配置された少なくとも1つの高インピーダンス検出デバイスとを含む。また、複数のセンサ組立体のそれぞれは、外側ハウジングの中に配置された少なくとも1つの広バンドギャップ半導体デバイスを含むバッファ回路も含む。バッファ回路は、少なくとも1つの高インピーダンス検出デバイスに動作可能に結合されている。
本明細書で説明される実施形態は、以下の説明を添付図面とともに参照することによって、よりよく理解され得る。
図1は、従来技術のセンサ組立体100の概略図である。センサ組立体100は、センサ部分102を含む。センサ部分102は、外側ハウジング106の中に配置されたセンサ104を含む。センサ組立体100は、電子装置サブアセンブリ110も含む。電子装置サブアセンブリ110は、電子装置部分112およびコネクタ部分114を含む。電子装置部分112は、ハウジング118の中の電子デバイス116を含む。電子デバイス116は、センサ104から受け取った信号を、コネクタ部分114経由で他のデバイス(図示せず)へさらに伝送するために調節する。センサ組立体100は、外側ハウジング106を電子装置サブアセンブリ110に結合する無機絶縁(MI)ケーブル120をさらに含む。MIケーブル120は、非高温環境、すなわちおおよそ摂氏225°(華氏437°)未満の温度環境で電子デバイス116の位置決めを容易にする任意の長さを有する。
従来技術のセンサ組立体100のいくつかの実施形態は、外側ハウジング106の中に配置された電子デバイス126(想像線で示されている)を含むことがある。これらの実施形態では、センサ組立体100は、電子装置部分112およびMIケーブル120を含まないことがあり、コネクタ部分114は、外側ハウジング106に直接結合される。そのうえ、おおよそ摂氏225°(華氏437°)以上の温度を含む環境において、電子デバイス126を含む外側ハウジング106の位置決めを含む状況については、外側ハウジング106に熱除去システム130(想像線で示されている)が結合される。熱除去システム130は、熱除去流体入口コンジット132、例えば冷却コイルといった熱伝達デバイス134、および熱除去流体出口コンジット136を含む。おおよそ摂氏225°(華氏437°)未満、すなわちおおよそ摂氏125°(華氏257°)の温度でのデバイス126の維持を容易にするために、電子デバイス126に近接して熱伝達デバイス134が配置される。
作動中、外側ハウジング106は、測定される変数に結合されるかまたは近接して配置される。このような変数には、圧力、温度、および/または流量が含まれ得る。センサ104は、測定された変数を表す信号を発生してMIケーブル120経由で電子デバイス116へ伝送する。電子デバイス116は、センサ104から受け取った信号を調節し、他のデバイスおよびシステム(どちらも示されていない)へさらに伝送するために、調節された信号をコネクタ部分114へ伝送する。いくつかの実施形態では、センサ104は、電子デバイス126に信号を伝送する。それらの実施形態では、電子デバイス126の温度をおおよそ摂氏225°(華氏437°)未満に維持するように、熱除去流体(図示せず)が、流体入口コンジット132、熱伝達デバイス134、および流体出口コンジット136を通って導かれる。
図2は、例示的センサ組立体200の概略図である。この例示的実施形態では、センサ組立体200は、検出デバイス、すなわち外側ハウジング206の中に配置されたセンサ204を含む。また、この例示的実施形態では、センサ204は、圧電デバイスおよび/または光ダイオードを含むがこれらに限定されない高インピーダンスデバイスである。外側ハウジング206は、測定される変数を有する装置に結合されるかまたは近接して配置される。この例示的実施形態では、外側ハウジング206は、ガスタービン、蒸気タービン、ガス化設備、熱回収蒸気発電機、および熱交換器(いずれも示されていない)を含み得るがこれらに限定されない装置に結合するように構成される。近接センサ、速度センサ、および加速度計(いずれも示されていない)のうち任意のものを使用して測定されるこのような変数には、例えばタービン軸である選択された構成要素の変位、速度、および加速度が含まれ得るがこれらに限定されない。あるいは、このような装置および測定される変数には、深い油井用の探鉱シャフト(どちらも示されていない)の速度および加速度が含まれ得るがこれらに限定されない。センサ組立体200は、センサ204に動作可能に結合された電子デバイス216も含み、デバイス216およびセンサ204は、どちらもハウジング206の中に配置される。センサ組立体200は、電子デバイス216ならびに他のデバイスおよびシステム(図2には示されていない)に動作可能に結合されたコネクタ部分220をさらに含む。センサ組立体200は、電子デバイス216およびセンサ204のまわりに広がるシールド230も含む。シールド230により、電磁妨害(EMI)耐性がもたらされ、センサ204から電子デバイス216経由でコネクタ部分220に伝送される信号に対して所望の信号対雑音比(SNR)比を達成するのが容易になる。シールド230は、電気的に接地され、センサ204および電子デバイス216に対する基準となり得る。そのうえ、MIケーブルは実質的に使用されない。
図3は、センサ組立体200とともに使用され得る電子デバイス216の概略図である。電子デバイス216には、センサ204に動作可能に結合された調節回路すなわちバッファ回路250が含まれる。バッファ回路250は、センサ204から受け取った信号を、コネクタ部分220経由で他のデバイス(図3には示されていない)へさらに伝送ために調節する。この例示的実施形態では、バッファ回路250は、NPOタイプセラミック誘電体キャパシタ252およびフィルムベースの抵抗254を含むがこれらに限定されない、本明細書で説明されたようなセンサ組立体200の動作を可能にする任意のデバイスを含む。また、例示的実施形態では、バッファ回路250は少なくとも1つの演算増幅器256を含み、演算増幅器256は広バンドギャップ半導体デバイスである。本明細書で用いられる用語、広バンドギャップ半導体は、おおよそ1〜2電子ボルト(eV)を超過した電子的バンドギャップを有する半導体材料を記述する。さらに、例示的実施形態では、演算増幅器256の基板258を形成する広バンドギャップ半導体材料は炭化シリコン(SiC)である。あるいは、アルミナ、窒化ガリウム(GaN)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化インジウム(InN)、およびそれらの他の合金を含むがこれに限定されない任意の広バンドギャップ半導体材料が、基板258を形成するのに用いられ得る。
そのうえ、例示的実施形態では、バッファ回路250は、AlNで形成された基板260上に画定される。あるいは、GaN、SiC、InN、およびそれらの他の合金を含むがこれに限定されない任意の広バンドギャップ半導体材料が、基板260を形成するのに用いられ得る。また、例示的実施形態では、バッファ回路250は、電圧モード増幅器回路および電荷モード増幅器回路のうちの1つである。あるいは、本明細書で説明されたバッファ回路250およびセンサ組立体200の動作を可能にする任意の回路構成が用いられる。さらに、例示的実施形態では、バッファ回路250は、おおよそ摂氏−55°(華氏−67°)から、おおよそ摂氏600°(華氏1112°)の範囲の環境条件で、実質的に連続して、すなわち、例えばおおよそ5,000時間超の長時間にわたる露出期間にわたって、センサ組立体200の動作を可能にする頑健な回路構成を含む。この例示的実施形態では、このような高温条件を生成し得る高温装置の実例には、ガスタービン、蒸気タービン、ガス化設備、熱回収蒸気発電機、および熱交換器(いずれも示されていない)が含まれ得るがこれらに限定されない。あるいは、このような装置には、深い油井を探鉱するためのツールおよび装置が含まれ得るが、これらに限定されない。
図4は、複数のセンサ組立体200を使用することができる例示的データ収集システム(DAS)300の概略図である。この例示的実施形態では、DAS 300は、スタンドアローンのデータ記憶および表示のシステムである。いくつかの実施形態では、DAS 300は、例えばSupervisory Control and Data Acquisition(SCADA)システムであるがこれに限定されない大規模システムの一部分である。また、この例示的実施形態では、DAS 300は、それほど高価でなくMIケーブル120(図1に示されている)より融通性のある標準的ケーブルのデータケーブル302を含む。したがって、MIケーブルは実質的に使用されない。データケーブル302は、センサ組立体200のコネクタ部分220に結合される。さらに、この例示的実施形態では、DAS 300は、データケーブル302経由でそれぞれのセンサ組立体200に動作可能に結合された少なくとも1つの入出力(I/O)端子板304(図3には1つだけ示されている)を含む。そのうえ、この例示的実施形態では、DAS 300は、各I/O端子板304に動作可能に結合された少なくとも1つのDASキャビネット306を含む。DASキャビネット306は、本明細書で説明されたDAS 300を作動させるのに十分な処理および情報表示の機能(図示せず)を含む。また、この例示的実施形態では、DAS 300は、DASキャビネット306に動作可能に結合された操作卓308を含む。
図5は、センサ組立体200(図2に示されている)を組み立てる例示的方法400の流れ図である。この例示的実施形態では、402で、外側ハウジング206(図2に示されている)の中に、少なくとも1つの高インピーダンス検出デバイス、すなわちセンサ204(図2に示されている)が配置される。404でバッファ回路250(図3に示されている)が製作され、このような製作404は、広バンドギャップ半導体基板260(図3に示されている)を設けるステップと、その上に、少なくとも1つの、例えば演算増幅器256である広バンドギャップ半導体デバイスを画定するステップとを含む。また、この例示的実施形態では、406で、外側ハウジング206の中にバッファ回路250が配置される。さらに、この例示的実施形態では、408で、バッファ回路250が、センサ204に動作可能に結合される。
本明細書では、既知のセンサ組立体に対して、工業運転および商業運転の改善を助長するセンサ組立体の例示的実施形態が説明されている。前述の方法および装置により、おおよそ摂氏225°(華氏437°)まで、およびこれを超過する厳しい高温環境におけるセンサ組立体の動作が助長される。具体的には、本明細書で説明されたセンサ組立体の生存性および適切な動作は、おおよそ摂氏125°(華氏257°)以内の温度でしか使用できない既知のセンサ組立体とは対照的に、おおよそ摂氏600°(華氏1112°)を含む温度まで拡張されている。そのうえ、本明細書で説明されたセンサ組立体に対して関連する露出期間は、5,000時間を越えて実質的に連続して拡張し得る。このような方法および装置により、MIケーブルおよび補助冷却システムも容易に除去され、それによって、センサ組立体の製造コスト、組立てコスト、および設置コストが低減される。そのうえ、既知のセンサ組立体とは対照的に、本明細書で説明されたセンサ組立体の頑健性の向上により、苛酷な高温環境と既知のセンサ組立体の限界とによって以前にはアクセスできなかった領域へのセンサデバイスの取付けが促進される。さらに、既知のセンサ組立体とは対照的に、本明細書で説明されたセンサ組立体により、所望の信号対雑音比(SNR)での動作が容易になる。具体的には、高インピーダンスのセンサデバイスを使用して、このようなセンサデバイスを調節電子装置に近接して配置し、センサおよび電子装置をEMIシールドの中に密封すれば、既知のセンサ組立体に対してSNRが改善される。
本明細書で説明された方法およびシステムは、本明細書で説明された特定の実施形態に限定されない。例えば、各システムの構成要素および/または各方法のステップは、本明細書で説明された他の構成要素および/またはステップから独立して別個に用いられ、かつ/または実施されてよい。また、それぞれの構成要素および/またはステップは、他の組立体および方法とともに用いられ、かつ/または実施されてもよい。
本発明が様々な特定の実施形態に関して説明されてきたが、当業者なら、特許請求の範囲の趣旨および範囲内で変更を加えて本発明を実施することができることを理解するであろう。
100 従来技術のセンサ組立体
102 センサ部分
104 センサ
106 外側ハウジング
110 電子装置サブアセンブリ
112 電子装置部分
114 コネクタ部分
116 電子デバイス
118 ハウジング
120 MIケーブル
126 電子デバイス
130 熱除去システム
132 熱除去流体入口コンジット
134 熱伝達デバイス
136 熱除去流体出口コンジット
200 センサ組立体
204 センサ
206 外側ハウジング
216 電子デバイス
220 コネクタ部分
230 シールド
250 バッファ回路
252 NPOタイプセラミック誘電体キャパシタ
254 フィルムベースの抵抗
256 演算増幅器
258 基板
260 基板
300 データ収集システム(DAS)
302 データケーブル
304 端子板
306 DASキャビネット
308 操作卓
102 センサ部分
104 センサ
106 外側ハウジング
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114 コネクタ部分
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126 電子デバイス
130 熱除去システム
132 熱除去流体入口コンジット
134 熱伝達デバイス
136 熱除去流体出口コンジット
200 センサ組立体
204 センサ
206 外側ハウジング
216 電子デバイス
220 コネクタ部分
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250 バッファ回路
252 NPOタイプセラミック誘電体キャパシタ
254 フィルムベースの抵抗
256 演算増幅器
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260 基板
300 データ収集システム(DAS)
302 データケーブル
304 端子板
306 DASキャビネット
308 操作卓
Claims (10)
- 外側ハウジング(206)と、
前記外側ハウジングの中に配置された少なくとも1つの高インピーダンス検出デバイス(204)と、
前記外側ハウジングの中に配置された少なくとも1つの広バンドギャップ半導体デバイス(252/256)を備えるバッファ回路(250)であって、前記少なくとも1つの高インピーダンス検出デバイスに動作可能に結合されたバッファ回路とを備えるセンサ組立体(200)。 - 前記センサ組立体が、前記少なくとも1つの高インピーダンスデバイス(204)および前記バッファ回路(250)の少なくとも一部分のまわりに広がる電磁妨害(EMI)シールド(230)をさらに備え、
前記センサ組立体が無機絶縁(MI)ケーブルを備えない請求項1記載のセンサ組立体(200)。 - 前記少なくとも1つの広バンドギャップ半導体デバイス(252/256)が演算増幅器(256)である請求項1記載のセンサ組立体(200)。
- 前記少なくとも1つの広バンドギャップ半導体デバイス(252/256)が、炭化シリコン(SiC)、窒化ガリウム(GaN)、窒化アルミニウム(AlN)、および窒化インジウム(InN)のうち少なくとも1つを含む基板(258)を備える請求項1記載のセンサ組立体(200)。
- 前記バッファ回路(250)が、広バンドギャップ半導体基板(260)をさらに備える請求項1記載のセンサ組立体(200)。
- 前記センサ組立体が、おおよそ摂氏−55°からおおよそ摂氏600°の範囲の温度環境で長期間にわたって動作可能である請求項1記載のセンサ組立体(200)。
- 前記少なくとも1つの高インピーダンス検出デバイス(204)が、圧電デバイスおよびフォトダイオードのうちの1つである請求項1記載のセンサ組立体(200)。
- 少なくとも1つのDASキャビネット(306)と、
前記少なくとも1つのDASキャビネットと通信結合された少なくとも1つの入出力(I/O)端子板(304)と、
複数のセンサ組立体(200)とを備え、前記複数のセンサ組立体のそれぞれが、
外側ハウジング(206)、
前記外側ハウジングの中に配置された少なくとも1つの高インピーダンス検出デバイス(204)、および
前記外側ハウジングの中に配置された少なくとも1つの広バンドギャップ半導体デバイス(252/256)を備えるバッファ回路(20)であって、前記少なくとも1つの高インピーダンス検出デバイスに動作可能に結合されたバッファ回路を備えるデータ収集システム(DAS)(300)。 - 前記センサ組立体(200)が、前記少なくとも1つの高インピーダンス検出デバイス(204)および前記バッファ回路(250)の少なくとも一部分のまわりに広がる電磁妨害(EMI)シールド(230)をさらに備え、
前記センサ組立体が無機絶縁(MI)ケーブルを備えない請求項8記載のDAS(300)。 - 前記少なくとも1つの広バンドギャップ半導体デバイス(252/256)が演算増幅器(256)である請求項8記載のDAS(300)。
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