JP2000509484A - プロセス伝送器の圧力センサ診断方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 摂動がコンデンサ式変換器に入力される。そこにＬＥＤの発光が照射されると、静電容量が増大する（図４）。その効果は真空度の低下につれて低下する。実効圧力変化を生じさせるためにステップ電圧を印加することができる。過度的振動周波数、減衰率、および振幅が観察される（図５）。これらにしたがって圧力出力が補償されるか、あるいは警報が発生される。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 プロセス伝送器の圧力センサ診断方法 発明の背景 本発明は、プロセス制御産業に関する。より詳細には、本発明はプロセス流体 の圧力を測定するためにプロセス制御産業において使用される、ある型式の圧力 センサの診断方法に関する。 圧力伝送器は、プロセス制御産業において、遠隔位置でプロセスの圧力を測定 し、その圧力情報を２線式プロセス制御ループを経由してプロセスが制御される 制御室へ伝送するために用いられる。伝送器は、プロセスの絶対圧力あるいは差 圧を感知するために用いられる圧力センサを含む。差圧は、例えば、くびれ部分 の圧力の変化を監視することによってプロセス流量を測定するために用いられる 。 圧力センサは苛酷な作動環境にさらされるので、時間と共にその精度が低下す る傾向がある。したがって、圧力測定の精度を維持するためには、定期的なセン サの交換あるいは較正が必要である。較正のためには、作業者が現場に入り、圧 力センサを取りはずし、そして試験圧力を供給することが要求される。このこと は、時間の浪費であり、危険で、かつ較正の間プロセスを休止させなければなら ないことがある。配線を取り外したり、プロセスから分離されたりすることなく 、圧力センサを診断できる機能を有する圧力伝送器は、プロセス制御産業に有効 に貢献するであろう。 発明の概要 本発明の１つの特徴は、プロセス制御システムにおける伝送器が圧力センサを 診断する機能を有するということである。伝送器は、プロセスの圧力を受けるた めの圧力応答構造体を有する圧力センサ、および、ある実施態様においては、前 記圧力応答構造体に連結され、その静電容量がプロセス圧力に応答して変化する ようなコンデンサを含む。測定回路は前記静電容量を測定し、静電容量は出力回 路を用い、プロセス制御ループを経由して伝送される。診断回路は、圧力センサ に接続され、診断入力を圧力センサへ提供することによって圧力センサを診断す る機能を有する。診断回路は、診断入力に応答し、測定回路によって決定される 静電容量の変化を監視する。静電容量の変化に基づいて、圧力センサの状態が判 断される。 図面の簡単な説明 図１は、本発明による診断回路を含む伝送器を示す断面図である。 図２は、本発明に用いられる型のセンサを示す一部破断透視図である。 図３は、本発明による診断回路を含む、図１の伝送器に使用される回路を示す ブロック図である。 図４は、１つの実施態様による、時間対静電容量の関係を示すグラフである。 図５は、他の実施態様による、時間対静電容量の関係を示すグラフである。 好ましい実施態様の詳細な説明 本発明は圧力センサの診断機能を有するプロセス制御伝送器を提供する。本発 明は特に脆性物質で作られたセンサにとって有効である。好適な物質としてはセ ラミック、サファイア、シリコン、石英、ルビー、およびダイヤモンドを含む。 図１は、伝送器本体５２、センサ本体５４、およびフランジ５５を有する圧力 伝送器５０を示す。センサ本体５４は、プロセス流体の絶対圧力Ｐ１およびＰ２ をそれぞれ測定する圧力センサ７０Ａおよび７０Ｂを含む。伝送器本体５２は、 ４〜２０ｍＡ電流ループなどの２線式プロセス制御ループ経由で、圧力Ｐ１およ びＰ２に関する情報を伝達する伝送器（Ｉ／Ｏ）回路６０を含む。回路基板５７ は、センサ回路基板５８を圧力センサ７０Ａおよび７０Ｂに接続し、圧力Ｐ１お よびＰ２に関する電気信号を受信する。センサ回路基板５８上の回路は、これら の信号をデジタル化および処理し、データバス６２を経由して伝送器回路６０に 圧力情報を伝達する。インサート（挿入部）６７Ａおよび６７Ｂは、圧力センサ ７０Ａおよび７０Ｂを保持する。プロセス障壁７１は空洞７５を形成し、インサ ート６７Ａまたは６７Ｂが損傷したとき、センサ本体５４から圧力Ｐ１およびＰ ２が漏れるのを防止する。空洞７５は真空にされるか、不活性気体で満たされて いる。フィードスルー７３Ａ、７３Ｂおよび７３Ｃは、回路基板５７および５８ の間の障壁７１を横切る電気的通路を提供する。図２は、圧力センサ７０Ａを保 持するインサー ト６７Ａの破断透視図である。ある実施態様においては、インサート６７Ａは酸 化アルミニウムで作られる。 本発明は、脆性物質で構成される圧力センサに用いられる。ある実施態様では 、単結晶材料で構成される圧力感知構造体が使用され、連結部は誤差を引き起こ す可能性のある異物をほとんど含まないように、融合接合を用いて構成されるこ とができる。当該構造体は、その構造体に圧力を加えるプロセス流体で取り囲ま れるかも知れない。このことは、その構造体が耐腐食性物質よりなるので可能で ある。脆性物質で構成されたセンサは圧縮によって変形させられ、より高い作用 ストレス対誤差ストレス比および、その結果としてのより高い信号対ノイズ比を 提供する。 このことは、脆性物質は伸張状態においてよりも圧縮状態においての方が強い ことに起因する。この形態はセンサを腐食に影響されにくくする。プロセス流体 内にその構造体を設置すると、隔離ダイヤフラムおよび充填オイルが省略できる ので信頼性が向上する。細長いシャフトは、ストレス分離を提供し、ストレス伝 達誤差の低減を助けるるために、同じ単結晶材料で構成される。電気リード線は 細長いシャフトを通して配設され、プロセス流体から絶縁される。シャフトを通 る通路はまた、参照（基準）圧力を印加するために用いられることもできる。 センサ技術が発達しているので、伝送器はその測定における正確さを向上させ ることができる。このように向上された正確さは、よ り良く、より正確な診断技術を要求する。本発明は、圧力センサ診断のための正 確な技術を提供する。本発明においては、診断入力が圧力センサに加えられる。 診断入力は圧力センサの出力に変化を生じさせる。この変化が監視され、センサ の状態を決定するために用いられる。 図１において、圧力センサ７０Ａおよび７０Ｂと隣り合わせの支柱１０２上に 、光源１００が装備される。圧力センサ７０Ａおよび７０Ｂが光源１００からの 放射光で照らされると、圧力センサ７０Ａおよび７０Ｂからの出力が変化するこ とが見い出されている。より詳細には、圧力センサ７０Ａおよび７０Ｂがコンデ ンサ極板１０４を含み、圧力がコンデンサ極板１０４間の静電容量を測定するこ とによって決定される場合、圧力センサ７０Ａおよび７０Ｂが照らされる時に静 電容量の増大が起こる。 光源１００の配置と強さは、光源１００からの放射がコンデンサ極板１０４に 達する程度が好ましい。さらにこの現象はコンデンサ極板１０４間の真空の度合 いに比例することが観察されている。その効果は真空度の低下に伴って低下する 。本発明は絶対圧センサ内の参照（基準）真空を直接評価する技術を提供する。 静電容量の変化は極めて小さく、１００ａＦのオーダであり、高精度の測定電子 技術を要求する。本実施態様は特に圧力センサ内の真空度の低下を測定するのに 好適である。 図３は、本発明のある実施態様による伝送器５０内の回路を示す。 伝送器５０は、インタフェース回路１１０、マイクロプロセッサ１１２および静 電容量測定／補償回路１１４を含む。マイクロプロセッサ１１２は、インタフェ ース回路１１０に接続され、メモリ１１６およびシステムクロック１１８にも接 続される。図３は、ある実施態様による光源１００に接続されたマイクロプロセ ッサを示す。光源１００は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）で構成される。 作動中、伝送器５０はループ電流Ｉを伝送するプロセス制御ループ１２０に接 続される。典型的には、伝送器５０がプロセスを遠隔検知するために現場に設置 される一方、プロセス制御ループは制御室内に設置された装置に接続される。イ ンタフェース回路１１０は、端子１１９でプロセス制御ループ１２０に接続され 、伝送器５０に給電するために用いられる電流Ｉを用いて生成される電力出力を 提供する。静電容量測定／補償回路１１４は、圧力センサ７０Ａ（および図３に は図示されない７０Ｂ）のコンデンサ極板１０４間の静電容量を測定する。静電 容量の誤差のばらつきは静電容量測定／補償回路１１４を用いて補償され、この 回路が、マイクロプロセッサ１１２へプロセス圧力を表わす圧力出力を提供する 。 マイクロプロセッサ１１２は、システムクロック１１８によって決定される速 度で、メモリ１１６に記憶されている命令にしたがって作動する。マイクロプロ セッサ１１２は、静電容量測定／補償回路１１４からの圧力出力に基づいて、プ ロセス流量あるいは生産物の高さなどのプロセス変数を測定する。マイクロプロ セッサ１１２ は、プロセス制御ループ１１２上への伝達のための情報をフォーマットするイン タフェース回路１１０へ、プロセス変数を供給する。プロセス制御ループ１２０ は、プロセス制御産業において用いられる、いかなる通信プロトコルによっても 作動するであろう。例えば、プロセス変数は、ループ電流Ｉを、４ｍＡの信号に よって代表されるゼロレベルの電流と２０ｍＡ電流レベルによって代表されるフ ルスケール・レベルの電流との間で制御することによって伝達されることができ る。 デジタル情報は、同時にあるいは選択的に、ＨＡＲＴ（登録商標）通信プロト コルあるいはフィールドバスプロトコルに示されるような、いかなる既知のデジ タル伝送技術でも、それを用いて伝達されることができる。典型的には、図１に 示すように、マイクロプロセッサ１１２、インタフェース回路１１０、メモリ１ １６、およびシステムクロック１１８が伝送器回路６０の内部に設置される一方 、静電容量測定／補償回路１１４はセンサ回路基板５８上に配置される。さらに 、静電容量測定／補償回路１１４は、アナログ−デジタル変換器を有する。 この実施態様においては、光源１００はマイクロプロセッサ１１２に接続され るように示されている。しかしながら光源１００は、静電容量測定／補償回路１ １４の制御によって、あるいは図示されない独立の診断回路の制御によって作動 することができる。定期的に、あるいはプロセス制御ループ１２０を経由して受 信する制 御命令により、診断テストが光源１００を用いて実施される。光源１００は、圧 力センサ７０Ａのコンデンサ極板１０４間の領域を照らすように、瞬時の間付勢 される。スイッチ１２６は、コンデンサ極板１０４を静電容量測定／補償回路１ １４に接続する。スイッチ１２６の作用は、より詳細に後述されるであろう。 静電容量測定／補償回路１１４は、コンデンサ極板１０４間の静電容量を監視 する。図４は、コンデンサ極板１０４間の静電容量の時間に対する変化を示すグ ラフである。静電容量は、光源１００が点灯するときにステップ（階段）状に増 大し、光源１００が消灯するまで比較的一定に保たれることに注意しなければな らない。光源が消灯するときに、静電容量は同じようなステップ応答で降下する 。ステップ応答１２８の大きさは、コンデンサ極板１０４間に存在する気体分子 の数に比例すると信じられる。 マイクロプロセッサ１１２は、ステップ応答１２８の幅を監視する。ステップ 応答１２８が合理的な範囲で小さい場合には、圧力測定は補償されることができ る。例えば、圧力測定はステップ応答の幅に基づいてわずかに低減されることが できる。この低減は、１次式的な低減、多項式的な低減、あるいは圧力センサ７ ０Ａ内の真空低下を補償するために用いられるその他の曲線であってよい。さら に、ステップ応答１２８の振幅が、予め決められた限度より大きい場合には、圧 力センサ７０Ａまたは７０Ｂが故障したことを示す警報状態が開始されることが できる。警報状態はインタフェース回路 １１０からプロセス制御ループ１２０を介して伝送される。 スイッチ１２６は、本発明のある実施態様にしたがって用いられる。圧力セン サ７０Ａおよび７０Ｂが圧力の変化に正しく応答していることを証明するのが好 ましい。スイッチ１２６は、電源１３０によって生成されるステップ電圧入力を 印加することによって、圧力センサに摂動（perturbation）を起こさせるために 用いられる。ステップ状の電圧変化がセンサに加えられ、センサの応答が監視さ れる。印加される電圧に起因する実効（有効）圧力は次の式によって与えられる 。 式１において、△Ｐは印加される電圧Ｖに起因する実効圧力の変化分である。Ｇ はコンデンサ極板１０４間の公称間隔である。イプシロン（ε₀）は前記間隔の 誘電定数である。ある実施態様において、Ｇはおよそ０．５ミクロンである。５ ボルトのステップ電圧入力が適用される場合には、圧力の有効変化はおよそ０． ０６４ＰＳＩである。 本発明は、圧力センサのための診断情報を得るために、多くの異なる方法で上 述の技術を用いることを含む。ある実施態様では、既知の電圧がコンデンサ極板 １０４間に印加され、圧力変化に起因す る静電容量の変化が監視される。このことは、マイクロプロセッサ１１２の制御 に基づいて、スイッチ１２６を極く短時間電源１３０と接触する位置にした後、 静電容量測定／補償回路１１４がコンデンサ極板１０４に再び接続されることに よって達成される。作動中のセンサは、予め決められたオフセットに応答するで あろう。測定回路が圧力センサ７０ＡにＤＣオフセット電圧を印加する場合に、 適用される追加のＤＣオフセット電圧の大きさには限度があることに注意しなけ ればならない。 他の実施態様においては、電圧インパルスがコンデンサ極板１０４に極く短時 間印加される。このことは、スイッチ１２６がすばやく作動することによって達 成される。このことは、時間対静電容量のグラフである図５に示されるように、 コンデンサ極板１０４に過度的振動（ringing）を起こさせる。出力信号は、振 幅、および過度的振動信号の周波数と信号の減衰の形式での動的情報の双方を含 んでいる。信号の初期振幅は、前述と同じ情報を与える。過度的振動の周波数は 、追加の情報をもたらすために測定されることができる。減衰率の情報は、プロ セス流体の状態を示す。例えば減衰率は、伝送器が詰まったり、こびりついたり したことに関する警報を提供するのに用いることができる。過度的振動は次の式 によって与えられる。 Ａ＝Ａ₀Cos(２πｆ₀)ｅ^{-t/(2Q/ πf0}) …… 式２ ここで、Ａ₀は初期振幅、ｆ₀は共振周波数、およびＱはセンサのＱである。本実 施態様において、マイクロプロセッサ１１２は、静電容量測定／補償回路１１４ から受信される信号を処理する機能を有し、そのことによって、信号の周波数、 振幅および減衰率が決定される。この技術は、周波数応答を決定するために、比 較的高い周波数帯の回路を必要とする。この技術は、真空式センサあるいは、オ イルまたは不活性気体充填式のような非真空基準レベルを保持するセンサに用い られる。 初期振幅、周波数およびＱに基づいて、センサはその有効寿命を延長するよう に補償されることができる。さらに、これらの要素のいずれかが予め決められた 限度を超えた場合には、警報状態が始動され、プロセス制御ループ１２０を経由 して警報信号が伝達されるようにすることができる。 本発明を好ましい実施態様を参照して説明してきたが、本発明の精神や範囲か ら逸脱することなく、形式や詳細な点において変更が可能であることが当業者に は明らかであろう。例えば、本発明を静電容量ベースのセンサを用いて説明した が、本発明はその他の感知技術にも利用されるであろう。さらに、ここで説明し た技術は、いかなる形態に構成されたセンサにも、および既に開発されている材 料、あるいは将来開発されるであろういかなる他の材料を用いるセンサにも利用 されるであろう。電気的構成は単なる１つの実施態様 であり、本発明はいかなるデジタルおよびアナログ回路の組合せを含む適当な実 施態様にも適用されるであろう。いかなる型式の診断入力も用いられるであろう し、いかなる型式の放射源、パルス入力、スイッチング技術、あるいはその他の 入力も採用されるであろう。ここで用いたように、センサへの放射あるいは電気 などのいかなる入力も「摂動入力」である。

───────────────────────────────────────────────────── 【要約の続き】

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． プロセス制御システムにおける伝送器であって、 プロセス圧力を受信するための圧力応答構造体、および圧力応答構 造体に連結された少なくとも１つのコンデンサ極板を含み、プロセス圧力に関す る静電容量を有するコンデンサよりなる圧力センサと、 コンデンサに接続され、静電容量に関する圧力出力を提供する測定 回路と、 プロセス制御ループ上で圧力出力を伝送する出力回路と、 圧力センサに接続されて、圧力センサへ摂動入力を供給し、および 摂動入力に応答する静電容量の変化によって生じる圧力出力の変化に基づいてセ ンサ診断出力を発生する診断回路とを含む伝送器。 ２． 診断回路が発光装置を含み、摂動入力が発光装置によって生成され、圧 力応答構造体に指向される電磁放射を含む請求項１の伝送器。 ３． 発光装置が発光ダイオードを含む請求項２の伝送器。 ４． 摂動入力がコンデンサに供給される電気入力信号を含む請求項１の伝送 器。 ５． 電気入力信号が電圧である請求項４の伝送器。 ６． 診断回路が圧力出力の変化を監視して診断出力を提供する 請求項１の伝送器。 ７． 摂動入力がインパルスを含み、診断回路が圧力出力内の過度的振動周波 数に基づいて診断出力を提供する請求項１の伝送器。 ８． 摂動入力がインパルスを含み、診断回路が圧力出力の減衰率に基づいて 診断出力を提供する請求項１の伝送器。 ９． 摂動入力がインパルスを含み、診断回路が圧力出力の振幅に基づいて診 断出力を提供する請求項１の装置。 １０． 測定回路が、センサ診断出力に基づいて圧力出力を補償する請求項１の 装置。