JP2001509882A

JP2001509882A - 測定装置において更新速度を高めるための方法と装置

Info

Publication number: JP2001509882A
Application number: JP50906798A
Authority: JP
Inventors: プパライキス，ピーター・ジェイ
Original assignee: ハネウエル・インコーポレーテッド
Priority date: 1996-07-29
Filing date: 1997-07-29
Publication date: 2001-07-24
Also published as: CA2261131A1; EP0916079A1; WO1998004894A1; DE69716922D1; DE69716922T2; EP0916079B1; US5754452A

Abstract

(57)【要約】非常に複雑な特性方程式を取り扱うときに更新が速く行われるように測定装置における読み取りを処理する方法を実現している。この方法は、このような複雑な方程式を利用して正確なプロセス変数を幾分低頻度で計算する一方で、テイラーの理論に基づいて比較的複雑でない特性方程式推定を使って更新を実行できるようにするものである。測定装置において更新速度を高速化することによって、プロセス制御システムがよりタイトな制御を行うために必要な速度とパフォーマンスが得られる。

Description

【発明の詳細な説明】測定装置において更新速度を高めるための方法と装置発明の背景本発明は一般に、測定装置制御および操作に関する。具体的には、本発明は測定装置における更新速度（更新頻度）を高めるための効果的な装置および方法を提供する。さらに、本発明は制御の応用分野において使用される工業用測定装置の更新速度を高めるための方法を提供する。多くの制御システムでは、装置やプロセスを制御するために多数の測定装置を必要とする。特に、さまざまなプロセス変数（つまり、圧力、温度などの動作のパラメータ）を監視するために測定装置を使用する。たとえば、化学薬品や流体を伴う製造プロセスの制御では、プロセス全体を制御するために多数の測定装置（たとえば、圧力センサ、温度センサ、および流量センサ）を使用する。具体的応用例に応じて、これらの測定装置はさまざまな場所に配置される。動作のさまざまな態様を制御するためにこれらの測定装置を工場やプラント全体を通して配置するのが一般的である。このような状況において、測定装置は通常、中央制御システムまたは制御コンピュータからかなり離れた場所に配置される。あるいは、測定装置および制御システムは１つの小さなプロセスまたは装置を制御する小規模な自蔵式ユニットとすることもできる。たとえば、流量センサは弁のごく近くに配置することができる。制御システムを使って、この弁を流れる流体を簡単に制御し、目的とする流量を得るために弁の開き具合を適切に調整することができる。制御システムに対する測定装置の位置に関係なく、各測定装置に対し専用電子回路を同一ハウジング内に収納するという方法が次第に一般的になってきている（したがって、測定装置にはセンサと処理用電子回路が含まれる）。このような構成には多数の利点がある。通常、センサの多くはアナログ出力を持つ。このアナログ出力を即座に処理する（たとえば、ディジタル出力に変換する）ことにより、ノイズがなくなり、測定装置の精度が向上する。さらに、すべての処理が単一の測定装置内で実行でき、非常に正確で堅牢な出力が得られる。また、この方式で構成した場合、測定装置（これもまた、センサ自体と指定電子回路）は簡単に取り外し、制御システム全体の再較正を必要とせず交換が行える。要約すると、専用電子回路を内蔵する測定装置を利用することには非常に大きな利点がある。この構成を使用することによって、特に大規模な制御システムで使用した場合に多数の利点が生まれる。制御システム分野の技術者にはよく知られているように、装置やプロセスを制御する場合には閉ループ・システムを使用するのが最も有利であり、効果的な手段となっている。閉ループ制御システムでは、このシステムの各部が充分な精度と速度を持っていることが不可欠である。制御システムの精度は、感知素子の精度の制約を受ける。また、制御システムが装置やプロセスを制御する能力は各素子の応答速度によって左右される。すべての素子が割り当てられているタスクを非常に速くこなせるなら、非常に迅速な方法で制御を簡単に実現できる。たとえば、測定装置が感知条件の変化に対し高速に応答できる場合には、制御機構を素早く調整し、目的の動作レベルを維持するように制御システムを適合させることができる。この応答能力は、コントローラ、制御対象のシステム、およびセンサ素子の周波数応答によって制限される安定性基準によって決まる。応答が高速であり、正確な制御を行える安定した制御システムのことを一般に「タイトな」制御システムであるという。多くの種類の制御システムが現在、さまざまなプロセスや装置の制御に使われており、すべて上述の特性を示す。このような制御システムの例としては、化学薬品精製プロセス、流量制御システム、温度制御システム、圧力制御システム、製造プロセス制御システム、車両制御システムなどがある。一般に、測定装置で使用されるセンサには固有の問題や厄介な点がある。これらの問題には、非線形性、温度感度、ユニット間変動、各種バイアス・レベル、および可変スケール要因が関わる。これらの要因のすべてがセンサの精度に影響を及ぼす。これらの要因のそれぞれを是正するために、一般に専用電子回路を使って数学的補正を実行し、発生する不正確さをなくし、目的の測定値あるいはプロセス変数を出力する。これらの補正は、アナログ回路またはディジタル・プロセッサを利用して実行できるが、後者のほうが用途が広く、効果的である。動作中、通常、専用電子回路はセンサから信号を受信し、さまざまな作業を実行する。多くのセンサはそれ自体アナログ出力を発生するので、多くの場合、まず信号をディジタル信号に変換する必要がある。フィルタを使ってセンサ信号のノイズや不要な部分を除去することも行われる。次に、通常、専用電子回路により上述のセンサ問題（非線形性、バイアス、スケール・ファクタ、温度感度など）に対する補正が行われる。最後に、通常、専用電子回路により信号を目的の出力に変換する。この場合、センサによって直接測定されない一部の値を決定するために処理が必要になることがある（推定流量など）。固有のセンサ問題に対する補正を行い、目的の出力を得るためのステップでは、プロセス変数関数または特性関数（つまり、すべてのセンサ入力を目的プロセス変数に関連付ける単一の関数）を利用するのがふつうである。すぐわかるように、上述の一連の事象は非常に入り組んでおり、通常は、非常に複雑である。たとえば、プロセス変数関数が４または５個の異なる変数を従属変数とする数式になることはまずない。さらに、この関数は非常に複雑な入り組んだ関数形態をとる場合がある（たとえば、多変数の高次多項式）。予期したとおり、このような複雑な関数を取り扱うには、センサの電子回路に対し非常に時間のかかるきわめて厄介な計算が必要である。前述のように、閉ループ制御システムで利用する場合には、応答速度が重要である。したがって、上述の計算をすべて実行するのに要する時間が非常に重要になってくる。応答速度の遅い測定装置は、フィードバック素子で許容されるゲインの量が低下し、その結果制御の有効性が制限されるため望ましくない。したがって、応答速度が速い測定装置を用意することがきわめて望ましい。測定装置の応答速度の最も重要な態様は測定装置の更新速度である（測定装置の更新速度というのは測定装置出力が得られるまたは更新される頻度のことである）。多くの個々の応用の制約は更新速度に影響を及ぼす。たとえば、消費電力は多くの場合システムの制約である。状況によっては、測定装置を非常に危険なあるいは爆発が発生するおそれのある環境に配置することもある。より具体的にいうと、製造または精製プロセスの燃料油タンクに配置された圧力センサの場合である。このような環境で、大量の動力（電力）をこのような爆発物に近い場所で作動させるのは非常に望ましくない。消費電力はまたある種の補助電源あるいは制限された電源で動作する自給自足型制御システムでは問題となる。このような状況では、測定装置自体が引き込む電力量を最小限に抑える必要がある。こうした電力の制約により、センサ電子回路が必要な機能を実施する能力が制限される。たとえば、指定された時間内にプロセッサが実行できる命令の数は利用可能な電力によって決まる。これは、速度を高める他の方法を利用する必要がある１つの状況である。要約すると、制御用途で使用される測定装置には多くの場合、取り扱わなければならない多くの固有の制限があるということである。このような問題は、通常、処理と数学的補正によって取り扱われる。この方法は効果的ではあるが、多くの場合、非常に複雑で厄介な計算を使用する必要がある。このような複雑な計算により、制御システムのパフォーマンス（特に速度）が低下することがよくある。このパフォーマンスの低下は測定装置の電力制限が大きな原因である。このような電力制限は、計算速度（または更新速度）を制限するプロセッサの命令実行速度に影響を及ぼす。したがって、測定装置の更新速度を高めながら、センサの精度と消費電力条件の範囲内にとどまるような方法を使用することが望ましい。更新速度を高速化した最終的に望ましい結果が、より効果的で効率が高い制御ループまたは制御システムである。発明の概要本発明は、更新速度を高めた測定装置を実現するものである。静的状態のもとでシステムの精度に影響を及ぼすことなく、あるいは処理能力を追加することなく、更新速度を高める。更新速度を上げるために、本発明の測定装置は完全な更新（上述のプロセス変数関数を使用する完全な計算）をいくぶん低頻度で実行し、より頻繁な間隔で精密な近似値計算を実行する。このような方法で更新を行うことにより、本発明のシステムはシステムの静的精度に及ぼすことなく高速な更新を実現している。テイラーの理論から、すべての関数は無限級数に展開できる（ただし、無限回微分可能な関数であるとする）ことがわかっている。テイラーの理論を詳しく調べると、テイラー級数の最初の２項のみを使用して関数の値を非常に詳しく近似できることがわかる。これは特に、実変数があまり速く変化せず、導関数が小さい場合に当てはまる。別の言い方をすると、テイラー級数の最初の２項は、特に２次導関数が小さいときに関数値の非常に詳しい近似である。本発明では、この近似を使用して、測定装置の更新速度を高めている。本発明の方法を動作させるために、まずプロセス変数関数を専用センサ電子回路に記憶する。もちろん、これは測定装置を使用できるようにするために実行するのである。さらに、専用電子回路により特性関数の導関数が求められる。これら２つの値を使って、目的のプロセス変数の中間近似を得る。実施中、本発明は完全な計算を実行して、プロセス変数を幾分低頻度で求める。この詳細なプロセス変数更新頻度は通常、目的とする更新速度よりもかなり低い。プロセス変数の更新速度を高めるために、上述の近似を使って多数の中間プロセス変数近似を得る。この方法により、プロセス変数に対する更新速度全体が高まり、その一方でこのタスクを実行するために必要なプロセッサのパワー量は目的のレベルにとどまる。たとえば、約２ヘルツの更新速度を得るのが望ましいのに、システムが更新する最高速度が１ヘルツであれば（完全な計算を実行した場合）、本発明の方法を使用してこの２ヘルツの更新速度条件を達成できる。この更新速度を達成する際に、システムは関数の特定の値とその導関数を５秒ごとに計算する一方で、それと同時に、各詳細計算の間の１／２秒間隔で近似値を求めることができる。これは、プロセッサでタスク切り替えを実行し、同時に、しかし低速で、複数のタスクを実行しているように見せかけるマルチ・タスク環境で実行できる。したがって、目的の更新速度である２ヘルツ（１秒に２回）を実現できる。この更新方法を使用することによって、本発明はこの更新速度を達成しながら、指定されたすべての電力および精度制約の範囲内でそのまま動作する。もちろん、このような更新速度の向上は動的精度を犠牲にして実現されていることが認識される。しかし、発生する誤差はほとんどの時間で非常に小さく、静的条件のもとでは０である。非常にタイトな制御システム内で使用できる望ましい更新速度を測定装置に実現することが本発明の目的である。さらに、必要なプロセッサ・パワー条件を高めることなく更新速度を高めることも本発明の目的である。さらに、必要な更新速度を実現する測定装置によって使用される処理方法を作成することも本発明の目的である。さらに、堅牢でタイトな制御システム内で使用する測定装置を作成することも本発明の目的である。更新速度も高めながら、静的条件のもとで非常に正確な測定装置を作成することも本発明の追加目的である。制御システムがプロセス変数の変化に素早く応答できる被制御システム内で使用する測定装置を作成することも本発明のもう１つの目的である。図面の詳細な説明本発明のさらにその他の目的と利点は、下記の図面とともに以下の詳細な説明を読むことによってよくわかる。第１図は、本発明の更新方法を利用している圧力センサの透視図である。第２図は、閉ループ制御システムで利用しているような本発明の概念を説明する構成図である。第３図は、更新速度を高めるために使用する更新方法を説明している状態図である。第４図は、例のプロFッサによって実行される本発明の更新タイミングを説明するタイミング図である。第５図は、本発明の応用例を示すグラフである。好ましい実施形態の詳細な説明第１図には、本発明の概念を利用する測定装置１０が示されている。具体的にいうと、第１図に示されている測定装置１０は差圧を測定し、その差圧の信号を発生する圧力伝送器である。この圧力伝送器１０を用いて、本発明の詳細を説明する。ただし、本発明の概念はその他多数の測定装置にも等しく適用できる。当分野の技術者が理解しているとおり、圧力伝送器１０は製造プロセスの２点間の差圧レベルを測定する場合に使用される。たとえば、第１の入力１２がオリフィスの片側に配置され、第２の入力１４が反対側に配置されるように、圧力伝送器１０を配置することができる。オリフィスの構成に応じて、この差圧はオリフィス間の圧力低下を示し、パイプ断面を通過する流量を示すことができる。上述の機能を実現するために、圧力伝送器１０ではセンサ・ハウジング１６を第１の圧力入口１２と第２の圧力入口１４の間に配置している。センサ・ハウジング１６内には、測定対象のプロセス変数を示す信号を発生するプロセス変数センサがある。この例では、プロセス変数センサは差圧信号（たとえば、ダイアフラム形差圧センサ）である。一般に、センサは第１の圧力入口１２で流体に露出しており、また第２の圧力入力１４で流体に露出している。そこでセンサはこれら２つの入力の間の差圧を示す圧力信号を発生する。センサからの差圧信号はセンサ・ハウジング１６からプロセッサ・ハウジング２０内の処理電子回路１８へ送信される。処理電子回路１８には通常、（前述のプロセス変数関数を使って）差圧信号に合わせた補正または調整を行う電子回路が含まれている。通常、このようなものとして、センサ出力の特性に合わせて調整するプロセッサ／アナログ回路がある。たとえば、多くの装置は非線形であることがよく知られている。したがって、出力をそれに応じて調整し、使用可能な圧力信号を決定しなければならない。さらに、センサは通常、温度に敏感であり、この温度感度を補正しなければならない。圧力センサには、数学的補正を用いると簡単に補正できる特性がほかにも多数存在する。通常、プロセッサ・ハウジング２０はほかにも、プロセッサによる機能の実行を補助する追加情報を出力する温度センサ入力２２など多数の他の入力を持つ。プロセッサ／処理電子回路１８が必要なすべての計算、補正、および調整を実行した後、圧力伝送器はプロセス変数出力３０にプロセス変数信号を発生する。この場合、プロセス変数出力３０は圧力伝送器１０が感知した差圧を示す信号である。よく理解されているように、または明らかでもあるが、上述の原理はすべての種類の測定装置に等しく適用することができる。一般に、それぞれの測定装置はセンサおよび処理システムまたは調整／補正を実行するタイプのプロセッサを持つ。第２図には、本発明の測定装置１０の一応用例が示されている。前述のように、測定装置１０をプロセス制御システムの一部として利用している。第２図には、本発明の測定装置の応用例を説明する構成図が示されている。測定装置１０には、プロセッサ・ハウジング２０、第１のセンサ４２、第２のセンサ４４、および第３のセンサ４６が含まれている。それぞれのセンサを目的のプロセス変数の計算に寄与する別々の数量またはパラメータの感知に使用することができる。測定装置１０を使用する一応用例では、第１のセンサ４２は温度センサ、第２のセンサ４４は差圧センサ、第３のセンサ４６は静止圧センサとすることができる。これらのセンサをまとめて、パイプを通過する流量の検出に使用できる。温度センサは圧力センサ４４とともにオリフィス上またはその付近に配置できる。静止圧センサ４６は流量検出のため差圧センサ４４とともに使用できる。第１のセンサ４２は測定装置１０の温度を検出し、第２のセンサ４４と第３のセンサ４６は両方とも圧力を感知する。これらの装置はすべて、それぞれの数量を示す信号をプロセッサ・ハウジング２０に送信する。処理電子回路１８は前述のプロセス変数関数または式を記憶しており、これを使って、内在する不正確さについてセンサ出力を補正し調整する。前述のように、圧力センサ４４は非線形の伝達関数を持つことがあり、そのためセンサの出力は入力に直線的に比例しない。また、圧力センサ４４は温度に敏感なので、その出力は温度の影響を受ける。好ましい実施形態において、処理電子回路１８にはその他の機能を制御、計算、実行するためのプロセッサ６０が含まれている。さらに、プロセッサ・ハウジング２０内には、第１のセンサ４２に取り付けられている第１のコンバータ５２がある。同様に、第２のコンバータ５４が第２のセンサ４４に取り付けられ、第３のコンバータ５６が第３のセンサ４６に取り付けられている。それぞれのセンサ信号は通常アナログ信号なので、この信号をディジタル形式に変換すると都合がよい。第１のコンバータ５２、第２のコンバータ５４、および第３のコンバータ５６はアナログ−ディジタル・コンバータという形態をとり、それぞれのセンサ（第１のセンサ４２、第２のセンサ４４、および第３のセンサ４６）から直接受信したアナログ信号を示すディジタル信号を発生することができる。次にそれぞれのコンバータの出力はプロセッサ６０の中に送り込まれる。プロセッサ６０は測定ユニットに適用できる各種の計算を実行することができる汎用プロセッサの形態をとる。より具体的にいうと、プロセッサ６０は受信したそれぞれの入力に基づいて目的プロセス変数を計算することができる。その後、すべての計算結果を入出力装置６２へ送信し、他の装置（マスタ制御システムなど）に通信できるようにする。測定装置１０は計算したこれらのプロセス変数を追加装置へ送信するための出力３０を持つ。プロセス変数出力３０は通信バスあるいは少数の通信線を含む多数の形態をとることができる。好ましい実施形態では、プロセス変数出力３０はプロセス変数信号を目的の装置へ送信することができ、また他の装置から制御信号を受信することもできる。第２図に示されているように、測定装置１０はプロセス制御システム７０に取り付けられている。プロセス制御システム７０は単一のコントローラという形態をとることも、また非常に複雑な制御システムという形態をとることもある。一般に、このプロセス制御システム７０は１つ以上の測定装置と通信し、測定装置１０から受信した信号に基づいて、特定の制御レベルを維持するため特定の装置を制御する信号を出力する。第２図では、プロセス制御システム７０はプロセス制御システム７０から受信した信号に基づいてある種の状態を制御または調整することができる制御装置７２に取り付けられている。制御装置７２の一例として、流体の流量の調節のため調整できる流体弁がある。第２図で説明されている装置を使って弁を通過する流体の流量を制御すると仮定すると、閉ループ制御システムが作成される。一般に、センサ４２、４４、４６は弁の周囲の適切な状態を感知し、それらの状態を示す信号を処理電子回路１８に送信する。処理電子回路１８は各信号を処理し、プロセス変数信号（この例では、弁の差圧信号）を出力し、この信号をプロセス制御システム７０へ送信する。プロセス制御システム７０はこの流れ状態が適切な上下限値の範囲内にあるかどうかを調べ、適宜制御装置７２を調整することができる。たとえば、流量が低すぎる場合には、制御装置７２（流体弁）を調整して、通過する流量レベルを上げることができる。本発明の測定装置１０を構成する部分を説明し、またその一応用例についても説明したが、この測定装置に関して以下の観察が必要である。一般に、測定装置１０はプロセス制御システム７０から離れたところに配置されている。したがって、プロセス変数出力３０を介した通信は長い距離に渡る可能性がある（長距離ではアナログ信号を送信するよりもディジタル信号を送信するほうが遙かに容易である）。また、用途によっては、測定装置１０は非常に危険な場所に置かれることもある。たとえば、危険な物質（爆発材料や可燃物など）の処理では、揮発性気体の爆発の危険なしで大量のエネルギーを測定装置１０に伝達することは不可能である。したがって、これらの測定装置は使用可能な電力量および送信可能な信号レベルの制約を受ける。爆発の危険性の高い、あるいは危険な環境で使用する場合には、消費電力に対する制約が装置のパフォーマンスに対する制限となる。たとえば、電力の制約により、本発明の測定装置内では高速高出力プロセッサを使用できない。したがって、所望の高速の更新速度と高精度を達成するのは難しい。前述のように、処理電子回路１８および特にプロセッサ６０は、一般に、センサの読み取り値を目的のプロセス変数に関連づけるプロセス変数方程式を含む。しかし、当分野の技術者であれば、これらのプロセス変数方程式が一般に非常に複雑であることを認識している。たとえば、実際のプロセス変数を計算するには、高次の複雑な多項式を解かなければならない場合があり、３つあるいは４つの異なる変数に従属することがある。この方程式の複雑さのため、プロセス変数を計算するには非常に長い時間がかかる。本発明の測定装置１０を制御システムで使用する場合、測定装置自体の応答速度により制御システムのパフォーマンスと応答能力が決まる。したがって、「タイトな」つまり非常に応答性のある制御システムを作るには、制御ループ内の各素子による高速な応答が必要である。その結果、測定装置１０の高速な更新あるいは高速な応答を実現するために必要な機構を利用するのが望ましい。本発明では効率の良い近似方式を採用してプロセス変数の更新速度を高速化している。前述のように、プロセス変数は、プロセス変数関数を使って計算する。ここでもやはり、この関数は非常に複雑で詳細であるのがふつうである。しかし、テイラーの理論により、関数を無限級数として表すことができる（ただし、関数は無限回微分可能であるとする）。したがって、プロセス変数関数は次のように表すことができる。この無限級数を使用すると、初期値（ｘ₀）におけるプロセス変数関数ｆ（ｘ）の値がわかっている場合、第２の入力（ｘ₁）でのセンサの妥当な近似は次の式で表される。本発明は、詳細特性関数（ｆ（ｘ））をあまり頻繁に使用しない実際のプロセス変数を計算する一方で、上述の近似方式（式（２））を使用する頻繁な更新を行うことによって更新速度を高める。この近似方式を使用すると、プロセス変数関数全体を計算する場合に要するプロセッサ・パワーに比べて少ないパワーで素早算頻度が低く（つまり、１０回センサを読み取るごとに１回）、式（２）を使って更新近似を素早く計算できる。第３図では、本発明のプロセスを説明する状態図を示している。前述のように、本発明の実際のプロセスは通常、測定装置１０内のプロセッサ６０によって実行される。最初は、プロセッサ６０は可能な最も効率の良い方法で動作すると理解すべきである。この動作には、複数の計算が同時に実行されるマルチタスキングが含まれる。再び第３図を見ると、測定装置１０は通常、計算状態８０にあり、そこではプロセス変数関数（ｆ（ｘ））の値をいくつかの変数値に対して計算し、時間のかかる厄介なプロセスである。プロセス変数関数（ｆ（ｘ））の値を求め、れら２つの値は後から使用できるように記憶される。これらの値を計算した後、システムは直ちに次のプロセス変数関数値の再計算を開始する。ここでは、新しい変数値（ｘ₁）を求め、目的の関数値（ｆ（ｘ₁）一番最近の変数値（ｘ）におけるプロセス変数関数（ｆ（ｘ））の値を連続的にに計算する。これは第３図において計算ループ８２として示されている。プロセス変数更新を行うことが必要な場合、システムに割り込みをかけて推定値の計算を開始する。第３図では、これは推定状態８６として状態図に示されている。次に、システムは特定の変数値のプロセス変数関数値である推定値を計算する作業に移る。推定が完了した後、システムは計算状態８０に戻り、そこでプ（ｘ））の計算を続ける。図に示されているように、次にシステムは目的の頻度でプロセス変数の更新を実行し、その一方でプロセッサ時間を全部利用して「バックグラウンド」で詳細計算を実行することができる。そこで第４図を見ると、プロセッサ６０が実行する方法のタイミングを説明するタイミング図が示されている。このタイミング図はシステムの連続的動作を説（ｘ））を初期プロセス変数（ｘ₀）について解き、初期変数（ｘ₀）（つまり、の導関数を求めなければならない。最初に解いたら、これらの値を使い、本発明の方法により目的の推定を実行することができる。第４図を詳しく見ると、時間ｔ₀９０で、一番最近の変数値を使ってプロセス変数関数ｆ（ｘ）の詳細計算が開始するサイクルが始まる。詳細計算中何回も、システムは中断して、推定計算９２を実行する。この推定中に、プロセス変数計算９１が中断し、プロセッサは式（２）の中の上記の近似関数を使って素早く簡単に推定値を計算できる。推定値を計算し、出力した後、システムはプロセス変数関数９１の計算作業へ戻る。一定期間の後、システムは詳細プロセス変数関数（ｆ（ｘ））が解ける点に到達し、そのときに、プロセスはその同じ変数値でプロセス変数関数の導関数を解き始める。これは第４図のタイミング図の時間ｔ₁９３に示されている。再び、に必要な期間に、システムに対しプロセス変数値の新しい推定値を出力するよう要求する時間９２に何回も割り込みが発生する。２度目の時間ｔ₀'に、プロセス詳細計算が完了し、システムは再び新しい変数値を使ってプロセス変数関数の新しい詳細計算を開始する。さらに、時間ｔ₀'にプロセス変数関数の初期値ｆ（ｘ₀）とプロセス変数関数単に実行できることが理解される。第４図に示されている時間ｔ₀'９５で、ｆて記憶され、推定計算を実行する際に使用される。この方法で、初期値は計算されるとすぐに更新され、新しい詳細計算が完了するまで推定関数により初期値として使用される。このプロセスは、精度と目的の高速な更新速度を得るために頻繁に繰り返される。第５図は、本発明の概念と精度および速度に関するトレードオフ条件をグラフで表したものである。前述のように、高速な更新を実現するために使用した近似理論では、動的条件のもとで精度を犠牲にしている。しかし、完全に正確なプロセス変数は幾分頻繁に再計算されるので、本発明の方法により目的の精度が得られるように適宜再調整する。第５図には、本発明の概念とそれに関係するトレードオフ条件を示すグラフ１００が示されている。第４図の例では、特性方程式は説明目的のため１変数のみに従属するよう簡略化されている。しかし、この同じ概念をさらに複雑な関数に適用できることは理解されるはずである。グラフ形式で示されているのは、プロセス変数関数ｆ（ｘ）１０２である。変数値ｘ₀１０６で、特性関数はある初期プロセス変数値ｆ（ｘ₀）１０８を持つ。また、この点で計算されるのは、ｘ＝次導関数は第５図で曲線１０４として示されている。プロセス変数を更新する必要がある場合には、新しいセンサ値が読み取られる（ｘ₁）１１０。プロセス変数値（ｆ（ｘ₁））１１２は、この点でプロセス変数関数を使って計算できる。しかし、前述のように、これは非常に時間のかかる作業である。したがって、上述の近似方程式を使ってｘ₁におけるプロセス変数値を近似するのが時間も短く、またあまり複雑でない。この方程式を使用して、プロセス変数ｆ^*（ｘ₁）１１４の近似値を求めることができる。第５図に示されているような例の関数ｆ（ｘ）１０２を使い、ｆ（ｘ₁）１１２とｆ^*（ｘ₁）１１４の両方を示す。この図から、ある誤差（Ｅ）１１６が存在することが明らかである。しかし、この誤差は通常小さく、完全な計算をもう一度実行するときに補正される。さらに、関数の２次導関数が小さく、変数ｘが大きく変動しなければ、この誤差は大幅に小さくできる。さらに、この最小誤差はプロセッサ更新の向上を考慮した場合に許容できる。本発明についてかなり詳細に、好ましい実施形態を用いて説明してきた。当分野の技術者であれば、この原理から逸脱することなく本発明に対し変更を加えることができることを理解するであろう。下記の請求の範囲と精神の範囲に含まれるすべての発明を請求する。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項【提出日】平成１０年９月２９日（１９９８．９．２９）【補正内容】補正明細書多くの個々の応用の制約は更新速度に影響を及ぼす。たとえば、消費電力は多くの場合システムの制約である。状況によっては、測定装置を非常に危険なあるいは爆発が発生するおそれのある環境に配置することもある。より具体的にいうと、製造または精製プロセスの燃料油タンクに配置された圧力センサの場合である。このような環境で、大量の動力（電力）をこのような爆発物に近い場所で作動させるのは非常に望ましくない。消費電力はまたある種の補助電源あるいは制限された電源で動作する自給自足型制御システムでは問題となる。このような状況では、測定装置自体が引き込む電力量を最小限に抑える必要がある。こうした電力の制約により、センサ電子回路が必要な機能を実施する能力が制限される。たとえば、指定された時間内にプロセッサが実行できる命令の数は利用可能な電力によって決まる。これは、速度を高める他の方法を利用する必要がある１つの状況である。要約すると、制御用途で使用される測定装置には多くの場合、取り扱わなければならない多くの固有の制限があるということである。このような問題は、通常、処理と数学的補正によって取り扱われる。この方法は効果的ではあるが、多くの場合、非常に複雑で厄介な計算を使用する必要がある。このような複雑な計算により、制御システムのパフォーマンス（特に速度）が低下することがよくある。このパフォーマンスの低下は測定装置の電力制限が大きな原因である。このような電力制限は、計算速度（または更新速度）を制限するプロセッサの命令実行速度に影響を及ぼす。したがって、測定装置の更新速度を高めながら、センサの精度と消費電力条件の範囲内にとどまるような方法を使用することが望ましい。更新速度を高速化した最終的に望ましい結果が、より効果的で効率が高い制御ループまたは制御システムである。発明の概要本発明は、下記の請求項１で定義されているような測定装置を実現する。測定装置は、従属する請求項２ないし８までの特徴のうち任意の１つまたは複数を含むことができる。本発明は、さらに、下記の請求項９で定義されているような方法も実現する。前記の方法は、従属する請求項１０ないし１６までの特徴のうち任意の１つまたは複数を含むことができる。本発明は、更新速度を高めた測定装置を実現するものである。静的状態のもとでシステムの精度に影響を及ぼすことなく、あるいは処理能力を追加することなく、更新速度を高める。更新速度を上げるために、本発明の測定装置は完全な更新（上述のプロセス変数関数を使用する完全な計算）をいくぶん低頻度で実行し、より頻繁な間隔で精密な近似値計算を実行する。このような方法で更新を行うことにより、本発明のシステムはシステムの静的精度に及ぼすことなく高速な更新を実現している。補正請求の範囲１．プロセス変数を測定し、前記のプロセス変数を示す信号を制御システム（７０）に送信する、更新速度が高速な測定装置（１０）であって、測定対象のプロセス変数に従属するプロセス変数センサ出力を発生する、プロセス変数を測定するプロセス変数センサ（４４または４６）と、プロセス変数センサ（４４または４６）の動作に影響を及ぼす動作状態を測定し、動作状態を示す第２のセンサ出力を発生する第２のセンサ（４２）と、プロセス変数センサ出力を受信するようにプロセス変数センサ（４４または４６）出力に接続され、さらに第２のセンサ出力を受信するように第２のセンサ（４２）に接続され、プロセス変数関数に基づいてプロセス変数センサ出力と第２のセンサ出力を処理する処理システム（１８）とを備え、処理システム（１８）がプロセス変数センサ出力と第２のセンサ出力を使ってプロセス変数関数を計算することにより測定対象のプロセス変数を示す詳細なプロセス変数出力を発生し、処理システム（１８）がさらにプロセス変数を示す高速測定装置更新信号を発生し、その高速測定装置更新信号は近似方程式を使って計算され、前記の高速測定装置更新信号が第１の頻度で計算され、詳細プロセス変数出力が第２の頻度で計算され、第２の頻度が第１の頻度に比べてかなり低いことを特徴とする測定装置。２．近似方程式が下記のとおりで、ｆ_update（ｘ）＝ｆ（ｘ₀）＋（ｘ₁−ｘ₀）・ｆ（ｘ）_x=x0 上式でｘがプロセス変数センサ出力を表し、ｆ（ｘ）がプロセス変数関数であり、ｆ（ｘ₀）が初期プロセス変数値であることを特徴とする請求項１に記載の測定装置（１０）。３．第１の頻度が２ヘルツで、第２の頻度が０．１ヘルツであることを特徴とする請求項１または２に記載の測定装置（１０）。４．第２のセンサ（４２）が温度センサであることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の測定装置（１０）。５．プロセス変数センサが静止圧力センサであることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の測定装置。７．最初にプロセス変数関数の導関数を計算し、次にプロセス変数関数の導関数にプロセス変数センサ（４４、４６）で測定した未補正のプロセス変数の変化量を乗じ、この量を初期補正詳細プロセス変数出力に加算することによって詳細プロセス変数出力が初期補正出力から更新されることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の測定装置（１０）。８．更新がプロセス変数関数のテイラー級数の最初の２項に等しいことを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の測定装置（１０）。９．プロセス変数を示す信号を制御システム（７０）に送信する測定装置（１０）が、プロセス変数を測定するため少なくとも１つの第１のセンサ（４４、４６）と、第１のセンサ（４４および４６）の動作に影響を及ぼす動作状態を測定するための第２のセンサ（４２）と、第１と第２のセンサの出力を補正する処理システム（１８）とを含むものであるときに、その測定装置（１０）が出力するプロセス変数出力の更新速度を高める方法であって、第１のセンサ（４４、４６）の出力を読み取ることによってプロセス変数の値を測定するステップと、第２のセンサ（４２）の出力を読み取ることによって動作状態の値を測定するステップと、プロセス変数の値と動作状態の値を処理システム（１８）に転送するステップと、第１のセンサ出力と第２のセンサ出力を使ってプロセス変数関数に基づき測定されるプロセス変数を示す詳細プロセス変数出力を計算するするステップと、プロセス変数を示す近似方程式を使用して高速測定装置更新信号を計算するステップとを有し、高速測定装置更新信号が第１の頻度で計算され、詳細プロセス変数出力が第１の頻度よりもかなり低い第２の頻度で計算されることを特徴とする方法。１０．近似方程式がプロセス変数関数のテイラー級数表現の第１項と第２項を含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。１１．第１項が初期値に等しく、第２項が第１のプロセス変数関数と第２のプロセス変数関数の導関数にセンサ出力の変化量を乗じた値に等しいことを特徴とする請求項９または１０に記載の方法。１２．方程式が下記のとおりで、上式でｘがプロセス変数出力とプロセス変数センサ出力を表し、ｆ（ｘ）がプロセス変数関数であり、ｆ（ｘ₀）が初期プロセス変数値であることを特徴とする請求項９ないし１１のいずれかに記載の方法。１３．第１の頻度が２ヘルツで、第２の頻度が０．１ヘルツであることを特徴とする請求項９ないし１２のいずれかに記載の方法。１４．第２のセンサ（４２）が温度センサであることを特徴とする請求項９ないし１３のいずれかに記載の方法。１５．プロセス変数センサ（４４）が差圧センサであることを特徴とする請求項９ないし１３のいずれかに記載の方法。１６．プロセス変数センサ（４６）が静止圧力センサであることを特徴とする請求項９ないし１３のいずれかに記載の方法。

Claims

【特許請求の範囲】１．測定装置の更新速度を高める方法であって、測定装置がプロセス変数を感知するためのセンサとセンサ出力を補正するための処理システムを有し、センサ出力はプロセス変数関数を使って補正され、センサ出力を読み取り、プロセス変数関数を使ってセンサ出力を処理することによってプロセス変数の初期値を決定するステップと、近似方程式がプロセス変数関数を近似する簡略化された方程式である近似方程式を決定するステップと、後のセンサ出力と近似方程式を使用してプロセス変数更新を決定するステップとを含む方法。２．近似方程式にプロセス変数関数のテイラー級数表現の第１項と第２項を含める請求項１に記載の方法。３．第１項が初期値に等しく、第２項がプロセス変数関数の導関数にセンサ出力の変化量を乗じたものに等しい請求項２に記載の方法。４．近似方程式が下式のとおりで、ｆ（ｘ）がプロセス変数関数、ｆ（ｘ₀）が初期プロセス変数値である請求項１に記載の方法。５．プロセス変数を測定し、そのプロセス変数を示す信号を制御システムに送信するための更新速度の速い測定装置であって、測定対象のプロセス変数に従属するセンサ出力を発生するセンサと、センサ出力に接続され、センサ出力を受信し、プロセス変数関数に基づいてセンサ出力を処理するための処理システムとを備え、センサ補正システムが測定対象のプロセス変数を示す補正出力とやはりプロセス変数を示す高速測定装置更新信号を発生し、高速測定装置更新信号が補正出力に比べてかなり高速に計算できる測定装置。６．更新システムが、まずプロセス変数関数の導関数を計算し、次にプロセス変数関数の導関数に未補正変数の変化量を乗じ、さらにこの量を初期補正出力に加算することによって更新を生成する請求項５に記載の測定装置。７．更新がプロセス変数関数のテイラー級数の最初の２項に等しい請求項５に記載の測定装置。８．高速測定装置更新を下記の方程式を用いて計算し、上式でｆ（ｘ）はプロセス変数関数、ｆ（ｘ₀）は初期プロセス変数値である請求項５に記載の測定装置。９．さらに複数のそれぞれの出力が処理システムに接続された複数の追加センサを含む請求項５に記載の測定装置。１０．プロセス変数関数がセンサ出力と複数の追加センサのそれぞれの出力とに依存する請求項９に記載の測定装置。１１．プロセス変数を測定し、そのプロセス変数を示す信号を制御システムに送信する高速な更新速度を有する測定装置であって、測定対象のプロセス変数に依存するプロセス変数センサ出力を発生する、プロセス変数を測定するためのプロセス変数センサと、プロセス変数センサの動作に影響を及ぼす、動作状態を測定し、動作状態を示す第２のセンサ出力を発生する第２のセンサと、プロセス変数センサ出力を受信するようにプロセス変数センサ出力に接続され、第２のセンサ出力を受信するように第２のセンサに接続され、プロセス変数関数に基づいてプロセス変数センサ出力と第２のセンサ出力を処理する処理システムとを備え、センサ補正システムがプロセス変数センサ出力と第２のセンサ出力を使ってプロセス変数関数を計算することにより測定対象のプロセス変数を示す詳細なプロセス変数出力を発生し、処理システムがやはりプロセス変数を示す高速測定装置更新信号をさらに発生し、高速測定装置更新信号が近似方程式を使って計算され、前記の高速測定装置更新信号が第１の頻度で計算され、高速測定装置更新信号が第２の頻度で計算され、第２の頻度が第１の頻度に比べてかなり高い測定装置。１２．近似方程式が下式のとおりで、上式でｘがプロセス変数出力を表し、第１のセンサ出力ｆ（ｘ）がプロセス変数関数であり、ｆ（ｘ₀）が初期プロセス変数値である請求項１１に記載の測定装置。１３．第１の頻度が０．１ヘルツで、第２の頻度が２ヘルツである請求項１１に記載の測定装置。１４．第２のセンサが温度センサである請求項１１に記載の測定装置。１５．プロセス変数センサが差圧センサである請求項１１に記載の測定装置。