JP2007507713A - プロセス圧力センサのキャリブレーション - Google Patents

Abstract

【課題】圧力が比較的低い場合に圧力センサ測定値の精度を向上させる。
【解決手段】プロセス装置（５２）の圧力センサ（６０）はプロセスセンサに複数の圧力を印加することによって特性設定される。複数の圧力の出力が受信される。圧力センサ出力に基づいて補償関係が決定される。特性設定データは圧力範囲に亘って非一定である分布において収集される。
【選択図】図３

Description

本発明は、工業プロセスのプロセス変数を感知するために使用される形式のプロセス変数センサに関する。特に、本発明はプロセス監視および制御用途において使用される圧力センサの特性設定(characterization）に関する。

プロセス中で使用される流体の種々の特性を測定することによって工業プロセスを監視および制御するためにプロセス送信機が使用されている。（ここで使用される流体には、液相および気相材料ならびに該材料が混合されたものを含む）。測定されるプロセス変数の代表的なものの一つは圧力である。圧力は差圧、ライン圧、ゲージ圧、絶対圧または静圧等である。ある種の装置では、測定された圧力は直接使用される。その他の構成では、測定された圧力は他のプロセス変数を導き出すために使用される。例えば、パイプ内の絞りつまり制限物（主要な要素である）をまたぐ差圧は該パイプを流れる流体の流速に関連する。同様に、タンク内の縦方向の２位置間の差圧は該タンク内の液体のレベルに関連する。プロセス送信機はこれらプロセス変数を測定し、測定したプロセス変数を例えば制御室等、遠隔の場所に伝送するために使用される。送信機は、例えば２線プロセス制御ループ等、種々の媒体を通じて行われることができる。

プロセス送信機内で使用される圧力センサは、印加されている圧力に関する出力信号を提供する。印加された圧力と出力信号との関係は圧力センサ間で異なることや、ある種の用途では静圧が異なることも知られている。これらの異なりは圧力センサの温度だけでなく印加された圧力の関数である。これらの異なりは静圧の関数であることもある。このような圧力センサを使った測定値の精度を向上させるため、一般的に各圧力センサは製造中に特性設定の処理を受ける。この特性設定処理には、既知の圧力を印加して圧力センサの出力を測定することが含まれる。これは、マルチプロセッサで行われる。一般的に、データは種々の温度で採取される。例えば、圧力センサは０〜２５０インチ（０〜６，３５０ｍｍ）の圧力で特性設定される。このような特性設定処理は等圧力間隔の１０点でデータ採取される（２５インチ、５０インチ、７５インチ等）。種々の温度で複数組のデータが採取されることがある。それからデータは、例えば、最小二乗曲線フィッティング手法によって多項式曲線に一致させられる。そして、多項式の係数は送信機のメモリに蓄積され、その後に圧力センサで得られる圧力測定値を補償するために使用される。

プロセス装置における圧力センサの特性設定方法を提供する。

圧力センサに複数の圧力が印加される。複数の圧力における圧力センサまたは圧力装置の出力が受信される。この圧力センサの出力に基づいて補償関係が決定される。補償関係を決定するために使用される前記出力は、圧力センサに印加される圧力範囲に亘って均等間隔ではない。

図１は、パイプフランジ６を介してパイプ４に機械的に結合された送信機２を示す。天然ガスのような流体がパイプ４を通って流れる。本実施例では、送信機２は差圧、絶対圧および温度を受信し、流量に関係する出力を提供する。

運転中、温度センサ８は流量送信機２の下流でプロセス温度を感知する。アナログ感知温度はケーブル１０を介して伝送され、送信機本体上の防爆ボス１２を通って送信機２に入力される。送信機２は差圧を感知し、かつ、アナログプロセス温度入力を受信する。送信機本体は、望ましくはセンサモジュールハウジング１６に接続された電子回路ハウジング１４を含む。送信機２は規格品の３弁または５弁マニホールドを介してパイプ４に接続されている。

図２は図１に示した送信機２の断面図である。図２において、絞りが主要要素３０としてパイプ４中に示されている。プロセス接続器３２は、絞り３０の両側に接続され、送信機２の圧力入力部へ差プロセス圧を供給するためプロセス接続器３２が使用されている。例えば、接続器３２内に保持されているプロセス流体から送信機２内に保持されている内部充満流体を隔離するために隔離ダイアフラム（図示せず）を使用することができる。差圧センサ３４はプロセス圧力を受け取り、電子回路３６に入力信号を供給する。また、温度センサ３５は圧力センサ３４の温度に関係する入力を電子回路３６へ供給する。温度センサは、圧力センサ３４の温度の正確な指示を好適に提供できるならばいかなる位置にあってもよい。一般には、温度センサ３５は図１に示した温度センサ８に加えて使用される。本発明によれば、電子回路３６は補償式を使用して圧力測定値内の誤差を補償する。補償式は、多項式からなることができ、該多項式の係数は送信機２内のメモリ４０に格納されている。この多項式は感知された圧力および測定された温度の関数である。計算された圧力はプロセス制御ループ１８上に直接伝送されるか、プロセス流量等、その他のプロセス変数を導き出すために使用することができる。多項式の計算およびその他の計算は、電子回路３６内のデジタル回路、例えばマイクロプロセッサによって実行される。

図１及び図２では、差圧に基づいて流速を測定するように構成された送信機を示したが、別の実施例では、本発明はレベル送信機または圧力送信機を含む、圧力を測定するあらゆる形式の送信機またはプロセス装置に適用可能であり、かつ差圧または静圧を測定するセンサに適用することができる。

一般的に、プロセス送信機内で使用される従来技術の圧力センサは、製造中のコミッショニング（つまり「特性設定」）処理を受ける。このコミッショニング処理はＣ／Ｖ（特性設定と証明（verify））と呼ばれる。Ｃ／Ｖの間、圧力センサは該センサの予測圧力範囲に亘る種々の圧力にさらされる。測定値は圧力範囲を通じて均等に（一定に）分布している多数の固定圧で採取される。各印加圧力に対応して圧力センサまたは圧力測定回路の出力が蓄積される。特性設定処理は一般的には多くの異なった温度で行われる。印加された圧力および温度のそれぞれに対応して得られた各データポイントにおける圧力センサからの蓄積された出力を使用して多項式の係数を発生させるために曲線フィッティング手法が使用される。一般的な多項式は圧力に関する５つの係数と温度に関する４つの係数を含んでいる。係数は送信機のメモリ内に格納され、送信機の動作中における圧力センサの読みを較正するために使用される。

本発明は、ある種の用途において、全体的な特性設定圧力範囲より狭い特定の圧力サブレンジ(subrange）において圧力センサ測定値の正確さを向上させることが望まれるという認識を含んでいる。例えば、差圧ベースの流量計では、絞りを跨いで生じた差圧は比較的小さく、低流速では正確な測定が困難である。このために、流速が比較的小さい場合に差圧を利用する送信機によって測定された流速測定値は不正確になる。このような構成において、本発明は、圧力が比較的低い場合でも、圧力センサ測定値の精度を向上させる。

本発明は、より多くのデータポイントまたはより接近した間隔のデータポイントを採用することによって、特性設定範囲の特別なサブレンジを通じて、特性設定多項式の精度を改善する。これは、選択されたサブレンジを通じて特性設定多項式の精度を向上する。本発明は、動作範囲における所望のサブレンジを通じて付加的な補償計算データポイントを提供するため、圧力センサの動作範囲に亘って圧力補償ポイントの非一定間隔を使用している。特性設定データポイントの分布は、一般に、非一定であり所望の選択をすることができる。例えば、分布は、ステップ変換、斜面つまり傾斜変換、またはより複雑な、対数変換もしくは指数変換のような関数であることができる。本発明は、ある手法を用いて発生させた多項式係数を有する送信機、又は他のプロセス装置と、該手法に従って圧力センサを特性設定する方法または装置を含んでいる。

図３は、プロセス装置５２の圧力センサ６０の特性設定で使用するための特性設定装置５０の簡単化されたブロック図である。特性設定装置５０は圧力発生源５６および温度発生源５８に結合される特性設定制御装置５４を含んでいる。圧力発生源５６は、特性設定制御装置５４からの制御信号に応答してプロセス装置５２の圧力センサ６０へ、選択された圧力を印加するように構成される。温度発生源５８も特性設定制御装置５４によって制御され、プロセス装置５２の温度を所望に制御するように構成される。特性設定制御装置５４へのフィードバックを提供するために追加の温度または圧力センサ（図示せず）を使用することができる。プロセス装置５２は、印加された圧力に応答して特性設定制御装置５４へ出力を供給する。該出力は圧力センサからの出力に関連しており、圧力センサから直接得られるか、またはプロセス装置５２の後続の電気回路によって発生される出力であることができる。

一般的に、特性設定制御装置５４はメモリ６６内に格納された指令に従って動作するマイクロプロセッサ６４等のデジタル制御装置を含む。特性設定処理中、特性設定制御装置は温度発生源５８を使ってプロセス装置５２の温度を所望温度に設定する。圧力発生源５６を使って、第１の所望圧力がプロセス装置５２の圧力センサ６０に印加される。プロセス装置５２からの出力は特性設定制御装置５４のメモリ６６内に格納される。次いで、圧力発生源５６を使って第２の所望圧力が圧力センサ６０に印加され、別のデータポイントがメモリ６４内に格納される。圧力センサ６０の所望の圧力範囲に亘って所望の印加圧力で処理が繰り返される。特定の圧力範囲に対して全てのデータポイントが一旦得られると、プロセス装置５２の温度は温度発生源５８を使って別の所望温度に変えられ、処理が繰り返される。特性設定制御装置５４はメモリ６６内に格納された採取データに基づいて多項式用の係数を発生する。多項式の係数は、プロセス装置の温度に従って、実際に印加された圧力とプロセス装置からの出力との間の実際の圧力に基づいて発生される。係数はプロセス装置５２のメモリ７０内に格納される。後続の動作中、プロセス装置５２は格納された係数を引き出し、圧力センサ６０の出力に特性設定多項式を適用して、感知された圧力内の誤差を修正する。

本発明によれば、特性設定制御装置５４は圧力発生源５６によって圧力センサ６０に印加されるべき複数の圧力を発生する。データは各印加圧力のもとで採取される。印加圧力は印加される圧力範囲に亘って等しく分布していない。例えば、圧力センサは０〜２５０インチの範囲に亘って特性設定され、データは印加圧力０，５，１０，１５，２０，２５，５０，１００および２５０インチの印加圧力で採取される。データは一般的に各印加圧力に対して一つ以上の温度で採取される。印加圧力の具体的な分布は所望に選択することができる。例えば、階段関数を使用でき、指数、対数またはその他の、全体的な圧力範囲に亘って一定でない分布を選択できる。言い換えれば、特性設定に使用される全体の圧力範囲の一部の範囲である少なくとも一つのサブ圧力範囲内では、印加される圧力ポイントの分布は、特性設定圧力範囲の他の部分と異なる。

収集されたデータはプロセス装置５２の圧力センサ６０を特性設定する多項式用の係数を発生するために使用される。一つの具体的な例では、圧力の５次多項式と温度の４次多項式が圧力センサ測定値を修正するために使用される。この実施例では、修正圧力は以下のように計算される。

式１において、ａ₀，ａ₁，・・・ｆ₄は多項式の格納された係数、Ｐは補正前に感知された圧力であり、Ｔは圧力センサの温度である。本発明によれば、係数ａ₀・・・ｆ₄は曲線フィッティング手法を使って生成され、そこではデータは特性設定圧力範囲に亘って非一定の方法（non-uniform manner）で収集される。一つの特徴では、分布は非直線的（non-linear）である。

他の実施例では、プロセス装置は差圧範囲に加えて静圧範囲に亘って特性設定される。静圧用のデータポイントの分布もまた圧力範囲を通して非一定である。例えば、複数変数処理装置は差圧や温度だけでなく静圧においても特性設定されることができる。

プロセス装置５２は圧力用のあらゆるプロセス装置であってもよい。一例では、静圧、ゲージ圧、絶対圧または差圧用に構成されたあらゆる形式の圧力送信機を含む。その他の送信機は、差圧に基づいて流速を決定する送信機または差圧に基づいて容器内の液体レベルを測定する送信機を含む。圧力範囲に亘るデータポイントの分布はプロセス装置の所望の設置用に選択することができる。上述のように、流量送信機用には、圧力センサの低圧範囲内でのデータポイントの追加が望ましい。一方、レベル測定用途では、ほぼ満容器に相当する圧力範囲が、特に重要であり追加のデータポイントはこの圧力範囲内で収集される。一実施例では、従来技術と同様に全体の圧力範囲に亘って同じ数のデータポイントが収集される。しかしながら、データポイントの分布は所望の特定のサブレンジに重点がおかれる。他の例では、従来技術での比較において追加のデータ収集ポイントが使用される。温度特性設定用に使用されるデータポイントの分布も、温度範囲を通じて非一定間隔である。

本発明は、好ましい実施例を参照して説明されたが、当業者は本発明の精神および範囲から逸脱することなく形態および詳細を変化させることができることを認識するであろう。

プロセス制御またはプロセス監視システム中の流量送信機の斜視図である。 図１の流量送信機を示す簡単化された断面図である。 本発明によるプロセス装置の圧力センサ特性設定用の装置を示す図である。

符号の説明

２…送信機、 ３４…差圧センサ、 ３５…温度センサ、 ５２…プロセス装置、 ５４…特性設定制御装置、 ５６…圧力発生源、 ５８…温度発生源、 ６０…圧力センサ、 ６６…メモリ

Claims (18)

1. プロセス装置における圧力センサの特性設定方法において、
   プロセス装置の圧力センサに対して特性設定圧力範囲に亘って複数の圧力を印加し、
   前記印加された圧力に関する前記圧力センサからの出力を受信し、
   前記圧力センサからの出力に基づいて補償関係を決定するとともに、
   前記印加された種々の圧力が、前記特性設定圧力範囲に亘って非一定に分布している特性設定方法。
2. 前記プロセス装置が流量送信機からなる請求項１記載の特性設定方法。
3. 前記プロセス装置がレベル送信機からなる請求項１記載の特性設定方法。
4. 前記補償関係が多項式からなる請求項１記載の特性設定方法。
5. 複数の差圧における圧力センサの出力と基準値との比較を含んでいる請求項１記載の特性設定方法。
6. 印加される圧力の分布が直線的な関数（linear function）である請求項１記載の特性設定方法。
7. 印加される圧力の分布が指数関数である請求項１記載の特性設定方法。
8. 印加される圧力の分布が対数関数である請求項１記載の特性設定方法。
9. 前記印加のステップが、低圧力範囲では高圧力範囲よりも接近した間隔で圧力印加することを含む請求項１記載の特性設定方法。
10. 前記複数の圧力印加のステップが、一以上の温度で実行される請求項１記載の特性設定方法。
11. 前記複数圧力印加のステップでは、主要要素に流体を通過移動させて差圧を生じさせる請求項１記載の特性設定方法。
12. プロセス装置のメモリに、補償関係に関する補償値を格納することを含む請求項１記載の特性設定方法。
13. 前記補償値が多項式係数からなる請求項１記載の特性設定方法。
14. 前記圧力センサが差圧センサからなる請求項１記載の特性設定方法。
15. 前記特性設定が差圧および静圧用のものである請求項１記載の特性設定方法。
16. 前記特性設定が、静圧および温度に対応している請求項１記載の特性設定方法。
17. プロセス装置に結合されてクレーム１の特性設定方法を実施するように構成されたキャリブレーション装置。
18. クレーム１の特性設定方法に従って決定されてメモリ内に格納された補償値を含むプロセス装置。

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