JP2012230100A

JP2012230100A - 高温環境用センサおよび同センサを組み立てる方法

Info

Publication number: JP2012230100A
Application number: JP2012063033A
Authority: JP
Inventors: Arthur Campbell Lam; ラム・アーサー・キャンベル; Tilak Vinayak; ヴィナイェク・ティラック
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2011-03-23
Filing date: 2012-03-21
Publication date: 2012-11-22
Also published as: CH704647B1; CN102692240A; US20120243182A1; US9041384B2; DE102012102100A1; CH704647A2

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

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。

米国特許第７３０１２２３号明細書

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。

従来技術のセンサ組立体の概略図である。例示的センサ組立体の概略図である。図２に示されたセンサ組立体とともに使用され得る電子部品パッケージの概略図である。図２に示されたセンサ組立体を使用することができる例示的データ収集システム（ＤＡＳ）の概略図である。図２に示されたセンサ組立体を組み立てる例示的方法の流れ図である。

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、ＤＡＳ３００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、ＤＡＳ３００は、例えばＳｕｐｅｒｖｉｓｏｒｙＣｏｎｔｒｏｌａｎｄＤａｔａＡｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ（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、ＤＡＳ３００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、ＤＡＳ３００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、ＤＡＳ３００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ＤＡＳ３００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、ＤＡＳ３００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
１２０ＭＩ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
２５２ＮＰＯ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
３０６ＤＡＳキャビネット
３０８操作卓

Claims

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）。