JP2005526228A - 圧電センサの診断 - Google Patents

Abstract

圧電センサ（１０）をテストするための診断装置は、２つ以上の周波数でＡＣ信号を圧電センサ（１０）へ印加するように構成されたＡＣ電源（３２）を含む。圧電センサ（１０）の応答は測定され（４８）、診断に使用される（５２）。

Description

本発明は、運動または振動を感知するために使用されるタイプの圧電センサに関する。より具体的には、本発明は、そのような圧電センサの診断に関する。

圧電センサは、多くの応用において運動または振動を感知するために使用される。圧電センサは、圧電性結晶を含む。圧電性結晶は、典型的には、機械的運動を生成する物体に機械的に結合される。これは結晶への機械的入力を引き起こし、その結果、結晶を横切る電気信号が発生される。この電気信号を測定することによって、結晶へ加えられた機械的入力に関しての決定を行うことができる。

圧電センサの１つの応用は、渦流量計である。渦流量計は、流体がバフボディ（buff body）を通過するときブラフボディ（bluff body）によって生成される振動を監視することによってガスまたは流体（「プロセス流体」と呼ばれる）の流れを測定する。圧電センサは、ブラフボディに機械的に結合され、ブラフボディにおける振動の振幅と周波数に関連する電気的出力を発生する。この電気的出力は、ブラフボディを通過して流れているガスまたは流体の速度に相関する。このような渦流量計は、プロセス流体の流速を監視することが望ましい工業プロセスで使用される。

圧電センサの故障または劣化は、センサから得られた測定値の不正確さを引き起こす可能性がある。もし、センサが全体的または部分的に故障したまま使用されていると、該センサから発生された測定値は誤りを含むであろう。センサが故障していないことを確認するためには、センサを定期的にテストすることが必要である。測定値が誤っていることが明らかである場合でも、センサおよび測定エレクトロニクスのテストを実行して、誤りの根源を決定することが必要である。このようなテストには、典型的には、圧電センサを試験所へ持って行くか、ある種のテスト装置の中に圧電センサを置くことが必要である。これには多くの時間を費やす可能性がある。渦流量計が遠隔地に置かれ、テストのためにプロセスを一時的に停止させなければならない工業プロセス環境では、テスト手順は特に面倒になる可能性がある。

圧電センサをテストするための診断装置は、２以上の異なった周波数でＡＣ信号を圧電センサへ印加するように構成されたＡＣ電源を含む。圧電センサに結合された測定回路は、印加されたＡＣ信号に対するセンサの応答を測定し、圧電センサのセンサ抵抗およびセンサ・キャパシタンスに関連する測定出力を与える。診断回路は、測定出力の関数として診断出力を与える。

図１は、圧電センサ１０の等価回路の概略図である。センサ１０は、漏れ抵抗Ｒ_Ｌ１６と並列の直列キャパシタＣ_Ｓ１４に結合された電圧源Ｅ_Ｓ１２としてモデル化される。センサは、センサ出力１８を与える。

本発明は、センサのキャパシタンスＣ_Ｓおよび／または抵抗Ｒ_Ｌを測定することによって、センサ１０の動作に関する診断情報を提供する。典型的には、良好な動作状態にあるセンサは、非常に高い漏れ抵抗Ｒ_Lおよび正規動作パラメータの範囲内にある直列キャパシタンスＣ_Ｓを有する。一態様において、本発明は、センサ１０へＡＣ信号を印加し、Ｃ_Ｓおよび／またはＲ_Ｌの値を測定する。

図２は、本発明の一実施形態に従う概略テスト回路３０を示し、このテスト回路３０は、圧電センサ１０をテストするときに使用される。図２では、等価回路の信号源１２の部分は、センサ１０に示されていない。回路３０は、ＡＣテスト信号を圧電センサ１０へ印加するように構成された信号ジェネレータ３２を含む。この信号は、任意の適切な電源から発生された時間変化成分を有する任意の信号でよい。信号ジェネレータ３２の出力抵抗は、抵抗Ｒ_０３４としてモデル化される。テスト・キャパシタンスＣ_ｔ３６は、電源３２と圧電センサ１０との間に直列に結合される。電源３２およびセンサ１０は、電気的接地４０に結合される。圧電センサ１０に接続されるケーブルは、ケーブル・キャパシタンスＣ_Ｃ４２およびケーブル漏れ抵抗Ｒ_Ｃ４４としてモデル化される。応答信号出力４６は、圧電センサ１０を横切って取り出され、測定回路４８に印加される。回路４８は、絶縁増幅、前処理、補償、ディジタル化、または他のタイプの回路を含んでよい。幾つかの実施形態では、測定回路４８は、診断回路５２への直接接続である。診断回路５２は、測定出力信号５０を回路４８から受信し、これに応じてセンサ１０の状態に関連する診断出力５４を与える。回路５２は、簡単な閾値比較回路、または信号処理回路を含む複雑な回路を含んでよい。

動作において、回路３０は、電源３２を使用してＡＣ信号を印加し、応答信号出力４６を監視することによって、センサ１０の動作に関連する診断情報を与える。例えば、電源３２から２つの異なった周波数の信号が印加されると、Ｒ_ＬおよびＣ_Ｓの値を計算することができる。もし、センサ１０のキャパシタンスが余りに小さければ、それは開路であると考えられるであろう。もしケーブルとセンサ１０との間に開路が生じるならば、ケーブル布線のケーブル・キャパシタンスＣ_Ｃは、この測定をあいまいにする可能性があることに注意されたい。しかし、もし、開路がエレクトロニクス（図２では示されていない）と、センサ１０を接続するために使用されるケーブル布線との間に生じるならば、開路を検出することができる。漏れ抵抗Ｒ_Ｌは、短絡に対してはゼロとして現れ、もし短絡が存在しなければ、実際のセンサ漏れ抵抗として現れる。測定された抵抗は、ケーブル布線漏れ抵抗Ｒ_Ｃによって影響を受けることに注意されたい。

漏れ抵抗Ｒ_Ｌおよびセンサ・キャパシタンスＣ_Ｓの実際の値は、数学的関係を使用して決定することができる。しかし、診断は、下記の数学式を解くことを必要としないで、単に出力４６を監視することによってセンサ１０上で実行することができる。下記の数学式では、信号ジェネレータ３２の出力抵抗Ｒ_０は無視されている。もしＲ_０が十分に小さければ、これは意味のある誤りを与えないであろう。以下のグラフは、そのような誤りが、Ｃ_Ｓの非常に低い漏れ抵抗、およびＲ_１およびＲ_Ｃの高い漏れ抵抗に対してのみ導入されることを示す。

下記のように、Ｃ_Ｓは式１を使用して決定され、１／Ｒ_Ｌは式２を使用して決定される。

ここで、ω_１およびω_２は、信号ジェネレータ３２からの２つの異なった信号の周波数であり、ｅｒ_１およびｅｒ_２は、２つのテスト周波数それぞれにおいての、出力４６の出力電圧と信号ジェネレータ３２を横切る入力電圧との比である。

図３は、Ｃ_ＳおよびＲ_Ｌの様々な値についての、出力と入力との比（ｅｒ）対周波数を示すグラフである。ここで、Ｃ_ｔは２２０ｐｆである。図４および図５は、それぞれ、Ｒ_Ｌの様々な値についての、計算上のキャパシタンスと計算上の抵抗対実際のキャパシタンスを示すグラフである。ここで、２つのテスト周波数は１００および１０００Ｈｚである。図６、図７、および図８は、それぞれ、図３、図４、および図５と同様のグラフであるが、１００ｐｆのテスト・キャパシタンスが使用されている点が異なる。これらのグラフから、計算上の値の誤りは、より低いテスト・キャパシタ値が使用されるとき、わずかに小さいことが分かる。

図３〜図８で示されるグラフでは、信号ジェネレータの出力抵抗Ｒ_０が含まれる（例えば、１３，８００オームの最大値を有する）。幾つかのタイプの信号ジェネレータでは、この抵抗は、出力電圧レベルに依存して変動する。この抵抗がゼロであるとき、上記の式は正確に成り立つ。

図９は、プロセス制御または監視システムで使用されるタイプの渦流量計７０を示す概略図である。渦流量計７０は、ブラフボディ７２に機械的に結合された圧電センサ１０を含む。ブラフボディ７２は、パイプまたは導管７４の中に置かれる。ブラフボディ７２を通過するプロセス流体の流れ７６（Ｑ）は、ブラフボディ７２に隣接して形成される渦７８を引き起こす。これはブラフボディ７２の中に振動を誘起し、この振動は、圧電センサ１０へ伝達される。これに応じてセンサ１０は、前述したように電気信号を作り出す。この信号は、スイッチ８２を介してセンサ１０に結合される差動増幅器８０によって増幅される。差動増幅器８０からの出力は、アナログ・ディジタル変換器８２によってディジタル化され、マイクロプロセッサ８４に与えられる。マイクロプロセッサ８４は、既知の式を使用し、ディジタル化信号に基づいて流速を計算する。マイクロプロセッサ８４は、入力／出力回路８８を介してプロセス制御ループ、例えば二線式制御ループ８６と通信する。ある実施形態では、入力／出力回路８８は、電源回路を含む。この電源回路は、ループ８６を介して電力を受け取り、渦流量計のエレクトロニクス全てに給電するために使用される。ループ８６は、計算上の流れに関する情報、例えば、測定された流れに対して所定の関係で変動する電流Ｉまたはディジタル信号を搬送する。

本発明によれば、渦流量計７０は、センサ１０をテストして診断を実行する回路３０を含む。図９の例では、測定回路４８は、差動増幅器９０およびアナログ・ディジタル変換器８２によって構成される。マイクロプロセッサ８４は、具体的には診断回路が移植されたものである。動作において、マイクロプロセッサ８４は、流速測定値を得るためにスイッチ８２を作動させる。診断を実行するため、マイクロプロセッサ８４は、スイッチ８２を開き、スイッチ９２を閉じる。したがって、差動増幅器９０は、電源３２に応答してセンサ１０によって発生された応答信号を感知するように構成される。幾つかの実施形態では、電源３２は、他の回路、例えば、アナログ・ディジタル変換器などで使用される回路からの電源のＡＣ信号である。増幅された信号は、アナログ・ディジタル変換器８２によってディジタル化され、マイクロプロセッサ８４に与えられる。

マイクロプロセッサ８４は、アナログ・ディジタル変換器８２からの測定出力信号を解析する。例えば、電源３２が２以上の異なった周波数にあるときに得られた応答信号４６の振幅が閾値と比較される。より正確な診断測定値を与えるためには、電源３２からのＡＣ信号を測定することが望ましい。さらに、より複雑な解析を実行してセンサ１０に関する、より詳細な情報、特にセンサ１０におけるＲ_ＬおよびＣ_Ｓの値に関連する情報を得ることができる。一度、診断動作が完了すると、マイクロプロセッサ８４は、スイッチ９２を開き、スイッチ８２を閉じて、流量計７０が通常動作へ戻れるようにする。

診断の結果に基づいて、マイクロプロセッサ８４は、ループ８６または他の手段を介して情報を伝達し、センサ１０が故障する過程にあるか、または既に故障しているかをオペレータに通知する。センサ１０の劣化の重度に基づいて、ある場合には、マイクロプロセッサ８４が診断結果に基づいて流れ測定値を補償することが望ましいかも知れない。例えば、もしセンサ１０が予測可能な仕方で故障を起こせば、補償曲線を使用してセンサ出力または流れ計算における誤りを補償することができる。

診断は、所定の条件、例えば、前もってスケジュールされた非稼働時間（down times）または一定の流れ期間に基づいて、マイクロプロセッサ８４によって定期的に開始される。さらに、マイクロプロセッサ８４は、診断を実行するためのコマンドを入力／出力回路８８を介して受け取ることができる。遠隔装置またはサービス要員と通信するために使用される入力／出力回路（図示されていない）を介して通信を提供することができる。

本発明は、好ましい実施形態を参照して説明されたが、当業者は、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、形態および詳細部の変更が行われてよいことを認識するであろう。任意の適切なＡＣ信号、またはＡＣ信号に適合する技法を使用することができる。同様に、応答信号を感知および処理するため、任意の適切な技法を使用することができる。診断は、閾値または周波数検出技法を含む任意の適切な技法、または、より進歩した信号処理技法を介するものであってよい。様々の回路構成要素は、アナログ形式またはディジタル形式、またはそれらの組み合わせで実現することができる。例えば、診断回路は、アナログ閾値比較回路で実現できる。

圧電センサの等価回路を示す。 圧電センサのテストに使用されるテスト回路を示す概略図である。 テスト・キャパシタンスが２２０ｐｆである、図２の回路における電圧比対周波数のグラフである。 テスト・キャパシタンスが２２０ｐｆである、図２の回路における計算上のキャパシタンス対実際のキャパシタンスのグラフである。 テスト・キャパシタンスが２２０ｐｆである、図２の回路における計算上の抵抗対実際の抵抗のグラフである。 テスト・キャパシタンスが１００ｐｆである、図２の回路における電圧比対周波数のグラフである。 テスト・キャパシタンスが１００ｐｆである、図２の回路における計算上のキャパシタンス対実際のキャパシタンスのグラフである。 テスト・キャパシタンスが１００ｐｆである、図２の回路における計算上の抵抗対実際の抵抗のグラフである。 本発明に従った圧電センサおよび診断回路を含む渦流量計を示す概略図である。

Claims (24)

1. 圧電センサをテストするための診断装置であって、
   少なくとも２つの異なった周波数でＡＣ信号を圧電センサへ印加するように構成されたＡＣ電源と、
   圧電センサに結合され、印加されたＡＣ信号に対するセンサの応答を測定し、これに応じて圧電センサの測定出力キャパシタンスを与えるように構成された測定回路と、
   測定出力の関数として診断出力を有する診断回路とを具備する診断装置。
2. 測定出力がセンサ抵抗およびセンサに関連する請求項１に記載の診断装置。
3. ２つの周波数でＡＣ信号が印加される請求項１に記載の診断装置。
4. ＡＣ電源および圧電センサに結合されたテスト・キャパシタンスを含む請求項１に記載の診断装置。
5. 診断回路を圧電センサに選択的に結合するスイッチを含む請求項１に記載の診断装置。
6. 測定回路が、センサの応答を増幅するように構成された増幅器を含む請求項１に記載の診断装置。
7. 測定回路が、センサの応答をディジタル化するように構成されたアナログ・ディジタル変換器を含む請求項１に記載の診断装置。
8. 診断回路が、アナログ・ディジタル変換器に結合されたマイクロプロセッサを含む請求項７に記載の診断装置。
9. マイクロプロセッサが、ディジタル化応答信号と閾値との比較の関数として診断出力を与える請求項８に記載の診断装置。
10. マイクロプロセッサが、ディジタル化出力上で実行されるディジタル信号処理の関数として診断出力を与える請求項８に記載の診断装置。
11. 診断回路が、閾値比較回路を含む請求項１に記載の診断装置。
12. ブラフボディに結合された圧電センサを有し、請求項１の診断装置を含む渦流量計。
13. 二線式プロセス制御ループに結合された入力／出力回路を含む請求項１２に記載の渦流量計。
14. 渦流量計における全ての回路が、プロセス制御ループから受け取られる電力で完全に給電される請求項１３に記載の渦流量計。
15. 圧電センサを診断する方法であって、
    少なくとも２つの異なった周波数でＡＣ信号を圧電センサへ印加し、
    印加されたＡＣ信号に応答して発生された圧電センサからの応答信号を測定し、
    測定出力の関数として圧電センサの状態を診断することを含む方法。
16. ＡＣ信号を印加することが、２つだけの周波数でＡＣ信号を印加することからなる請求項１５に記載の方法。
17. ＡＣ信号を印加することが、異なった周波数を順次に適用することからなる請求項１５に記載の方法。
18. 応答信号を測定することが、応答信号を増幅することを含む請求項１５に記載の方法。
19. 応答信号を測定することが、応答信号をディジタル化することを含む請求項１５に記載の方法。
20. 状態を診断することが、応答信号を閾値と比較することを含む請求項１５に記載の方法。
21. ＡＣ信号を印加する前に回路から圧電センサを切り離すことを含む請求項１５に記載の方法。
22. 請求項１５に記載の方法を実行するように構成された診断装置。
23. 圧電センサをテストするための診断装置を含む渦流量計であって、
    圧電センサに結合されたブラフボディと、
    少なくとも２つの異なった周波数でＡＣ信号を圧電センサへ印加するように構成されたたＡＣ電源と、
    圧電センサに結合され、印加されたＡＣ信号に対するセンサの応答を測定し、これに応じて圧電センサの測定出力キャパシタンスを与えるように構成された測定回路と、
    測定出力の関数として診断出力を有する診断回路とを具備する渦流量計。
24. 圧電センサをテストするための診断装置であって、
    少なくとも２つの異なった周波数でＡＣ信号を圧電センサへ印加するためのＡＣ電源手段と、
    圧電センサに結合され、印加されたＡＣ信号に対するセンサの応答を測定し、圧電センサのセンサ抵抗およびセンサ・キャパシタンスに関連する測定出力を与える測定手段と、
    測定出力の関数として圧電センサを診断する診断手段とを具備する診断装置。

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